Show publication content!

Transkrypt

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
Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej
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
4
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
5
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
materiałów hydroksyapatytowych .......................................................................................... 147
14.1.2. Składowa specyficzna swobodnej energii powierzchniowej jako miara kwasowozasadowych 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
6
STRESZCZENIE ......................................................................................................................... 189
ABSTRACT .................................................................................................................................. 191
7
Wykaz akronimów
Akronim
ACE
ATR
BCS
BET
BPMOs
CNT
CR
FTIR
HAP, HA
HPLC
IGC
MCM-41
MR
MWCNT
OCAS
OMMs
OROS
PAAm
PAMAM
PE
PCL
PGA
PLGA
PLA
PMMA
PMOs
SBA-15
SEM
SR
Polskie tłumaczenie
Konwertaza angiotensyny
Spektroskopia osłabionego
całkowitego odbicia w podczerwieni
System klasyfikacji
biofarmaceutycznej
Niskotemperaturowa adsorpcja azotu
z procedurą Brunauera-EmmettaTellera
bifunkcyjne hybrydy
Nanorurki węglowe
Kontrolowane uwalnianie substancji
aktywnej
Spektroskopia w podczerwieni z
transformacją Fouriera
Hydroksyapatyt
Wysokosprawna chromatografia
cieczowa
Odwrócona chromatografia gazowa
Specyficzny typ struktury zeolitu
Modyfikowane uwalnianie
substancji aktywnej
wielościenne nanorurki węglowe
Doustny system o kontrolowanej
absorpcji
Uporządkowane materiały
mezoporowate
Doustne systemy dostarczania
substancji czynnej z osmotycznie
kontrolowanym uwalnianiem
Poliakryloamid
Dendrymer poliamidoaminowy
Polietylen
Polikaprolakton
Poliglikolid
Kopolimer kwasu mlekowego i
glikolowego
Polilaktyd
Poli(metakrylanu metylu)
Mezoporowate organiczne
krzemionki
Specyficzny typ struktury zeolitu
Skaningowa mikroskopia
elektronowa
Powolne uwalnianie substancji
Angielskie tłumaczenie
Angiotensin-converting enzyme
Attenuated total reflectance
Biopharmaceutics classification
system
Bifunctional periodic mesoporous
organosilicas
carbon nanotubes
Controlled release
Fourier transform infrared
spectroscopy
Hydroxyapatite
High-performance liquid
chromatography
Inverse gas chromatography
Mobil Composition of Matter No.
41
Modified release
Multi-walled carbon nanotubes
Oral-controlled absorption system
Ordered mesoporous materials
Osmotic controlled release oral
delivery system
Polyacrylamide
Poly(amido amine) dendrimers
Polyethylene
Polycaprolactone
Polyglycolide
Poly(lactic-co-glycolic) acid
Polylactide
Poly (methyl methacrylate)
Periodic mesoporous organosilicas
Scanning electron microscopy
Slow release
8
SSRI
SWCNT
TEOS
TCP
TMOS
TPS
XL
XRD
aktywnej
Selektywne inhibitory zwrotnego
wychwytu serotoniny
Jednościenne nanorurki węglowe
Tetraetoksysilan
Ortofosforan (V) wapnia
Tetrametoksysilan
Spektroskopia w dziedzinie fal
submilimetrowych
Bardzo powolne uwalnianie
substancji aktywnej
Dyfrakcji promieniowania
rentgenowskiego
Selective serotonin reuptake
inhibitor
Single-walled carbon nanotubes
Tetraethyl orthosilicate
Tricalcium phosphate
Tetramethyl orthosilicate
Terahertz pulsed spectroscopy
Extra long
X-ray diffraction
9
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
10
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.
11
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
12
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
13
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
14
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 m 2/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
15
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
16
(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,
17
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
18
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
19
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
elektropolimeryzację
pirolu
i
Elektropolimeryzacja
prowadzona
tlenkiem
sulfonianu
była
w
indu
winylu,
obecności
i
cynku
tworząc
przeprowadzono
polimerowy
nanocząsteczek
film.
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 50oC 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 37oC. 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
20
(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 (~100500 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
21
(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].
120,000
Miliardy $
100,000
80,000
60,000
40,000
20,000
0,000
2009
2010
USA
Europa
2011
2016
Reszta świata
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
22
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].
23
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
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.
24
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.
25
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
26
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 37oC. 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
27
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
28
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].
29
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.
30
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
31
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].
32
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].
33
4.1.2. Zeolity
Zeolity to grupa krystalicznych glinokrzemianów naturalnych i syntetycznych,
w tym także glinokrzemianofosforanów i galokrzemianów. Ze względu na strukturę,
rozmiar i układ porów/kanałów, właściwości jonowymienne oraz stabilność termiczną są
szeroko stosowane jako katalizatory. Co więcej, właściwości fizykochemiczne i stabilność
w środowisku biologicznym, sprawiły, że zaczęto wykorzystywać je również w medycynie
[131,132]. Zeolity pod względem struktury i morfologii pozwalają na projektowanie
układów typu gość-gospodarz, o ściśle określonych właściwościach adsorpcyjnych.
Nanokompozyty zeolitów składające się z magnetytu i komercyjnego zeolitu Na-Y,
charakteryzują się dużą powierzchnią właściwą i pojemnością kationową. Umożliwiło to
adsorpcję, magazynowanie i uwalnianie dużych ilości doksorubicyny, antybiotyku
przeciwnowotworowego. Lek kierowany jest bezpośrednio do komórek nowotworowych
i tam jest uwalniany, dzięki zastosowaniu zewnętrznego lub wewnętrznego pola
magnetycznego. W taki sposób można zredukować dotychczas stosowaną dawkę
terapeutyczną i zmniejszyć efekty uboczne związane z jej aplikacją [133]. Taki
"magnetyczny zeolit" powstał w wyniku syntezy hydrotermalnej nanokryształków zeolitu,
w obecności nanocząstek magnetytu i posiada wysoką zdolność adsorpcji enzymów
i właściwości katalityczne [134].
Prowadzone były również badania nad wykorzystaniem zeolitu - kankrynitu [135],
jako nośnika kwasu acetylosalicylowego, w celu sprawdzenia stabilności hydrolitycznej
leku. Udowodniono, że zeolit jako lek przeciwkwasowy i kwas acetylosalicylowy można
stosować jednocześnie, ponieważ nie zauważono obniżenia aktywności żadnego z nich.
Handlowe produkty zawierające 4% roztwór erytromycyny i octanu cynku,
w układzie rozpuszczalników diizopropylosebacynian/etanol, zostały porównane do
układu, w którym substancje aktywne umieszczone były w zeolitach, stabilizujące
roztwory erytromycyny [136]. Zauważono, że zeolity jako nośniki erytromycyny uwalniają
stopniowo jony cynku poprzez wymianę jonową po kontakcie ze skórą. Ponadto, oprócz
spodziewanego efektu terapeutycznego, zaobserwowano, że naturalny zeolit wspomaga
w gojeniu się ran, niemniej jednak sam mechanizm tego zjawiska nie został do końca
wyjaśniony [137].
Zeolity ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne oraz możliwości
modyfikacji powierzchni, zapewniają enkapsulację substancji biologicznie aktywnych oraz
ich kontrolowane uwalnianie. Aktualnie zeolity stosuje się jako suplementy diety, środki
34
przeciw nadkwasocie oraz środki przeciwbakteryjne w stomatologii. Z pewnością
zainteresowanie tymi materiałami będzie rosło w kolejnych latach, prowadząc do
odkrywania nowych zastosowań medycznych i farmakologicznych.
4.1.3. Kaolin i bentonit
Kaolin jest substancją pochodzenia mineralnego i występuje w postaci białego,
biało-szarego proszku, delikatnego i miękkiego w dotyku. W postaciach farmaceutycznych
stosuje się go zazwyczaj doustnie lub domiejscowo. W zastosowaniach domiejscowych,
oczyszczony kaolin używa się jako składnik kompresów [138]. Jego zaletą jest to, iż ma
zdolność wiązania wody krystalizacyjnej, dlatego jest stosowany w tabletkach jako środek
poślizgowy. Tabletki są twarde i wykazują przedłużone uwalnianie substancji aktywnej.
Terapeutycznie, kaolin działa jako doustny preparat przeciwbiegunkowy [138, 139]. Służy
również jako adsorbent przy produkcji organopreparatów. Adsorbuje wyciągi z tkanek
zwierzęcych, po czym następuje ich selektywna elucja, pozwalając na uwalnianie
substancji białkowych z jednoczesnym wydzieleniem substancji czynnych (np.
hormonów).
Bentonit jest naturalnie występującym krzemianem glinu stosowanym przede
wszystkim w postaci zawiesin, zoli i żeli. Bentonit może być aplikowany jako doustny
preparat farmaceutyczny, w kosmetykach czy produktach spożywczych. W preparatach
doustnych używany jest do adsorpcji kationowych substancji aktywnych, opóźniając ich
uwalnianie [140]. Adsorbent ten stosuje się również do maskowania smaku niektórych
leków. Terapeutycznie bentonit badano jako adsorbent w zatruciach litem [141].
4.1.4. Materiały węglowe
Jednym z najbardziej dynamicznie rozwijających się kierunków badań jest
nanotechnologia. Materiały w skali nanometrów wykazują nowe właściwości, odmienne
od tych w skali mikro [142]. Przykładem takich materiałów są nanorurki węglowe (ang.
carbon nanotubes CNT), które tworzą alotropową odmianę węgla. Nanorurki składają się
z płaszczyzn grafenowych, zwiniętych w cienkie rurki, cieńsze o 10 tys. razy od ludzkiego
włosa. CNT posiadają wiele zalet ze względu na dużą powierzchnię właściwą,
wytrzymałość mechaniczną na rozciąganie oraz wysokie przewodnictwo cieplne [143].
Otrzymuję się je poprzez kondensację gorących par atomów węgla, w obecności
katalizatora, który eliminuje się na wiele sposobów np. poprzez użycie stężonych kwasów.
Pod względem budowy nanorurki cechuje duża rozmaitość. Klasyfikowane są jako
35
jednościenne (ang. single-walled carbon nanotubes SWCNT), posiadające jedną warstwę
grafenową oraz wielościenne (ang. multi-walled carbon nanotubes MWCNT), zawierające
wiele koncentrycznie ułożonych cylindrów grafenowych [144]. Mając na uwadze trudność
rozpuszczania nanorurek węglowych w roztworach wodnych, konieczna stała się
funkcjonalizacja warstw grafenowych. Najczęściej dochodzi do funkcjonalizacji
endohedralnej – przez wypełnianie pustych rdzeni substancjami o zróżnicowanej
polarności, np. rozdrobnionymi metalami lub związkami chemicznymi oraz egzohedralnej
– przez modyfikację zewnętrznych ścian [145,146]. Wielościenne nanorurki są nośnikami
substancji aktywnej, które dostają się bezpośrednio do ustroju. Stosuje się je do szybszego
przyswajania przeciwgrzybicznego antybiotyku (amfoterycyny B). Najpierw nanorurki
poddaje się działaniu kwasów, gdzie następuje przyłączenie grup karboksylowych do
zewnętrznych warstw. Następnie, aby umożliwić inkorporację antybiotyku oraz
izocyjanianu fluoresceiny, ścianki modyfikuje się glikolem diaminotrietylenowym. Dzięki
zastosowaniu takiego nośnika, wszelkie efekty uboczne występujące podczas stosowania
amfoterycyny, zostały wyeliminowane[147].
Ważnym
elementem
jest cytotoksyczność
(toksyczność różnych substancji
i różnego rodzaju komórek względem komórek w danym organizmie) nanorurek
węglowych. W literaturze można spotkać się ze sprzecznymi doniesieniami na ten temat.
Niektóre badania wykazują, że CNT są toksyczne, inne natomiast wykazują idealne
właściwości dotyczące wpływu na wzrost komórek. Każdy producent wytwarza inny
rodzaj rurek, dlatego wyniki różnych eksperymentów nie zawsze mogą być porównywane
[148].
Pochodną nanorurek węglowych są nanorogi (ang. nanohorns), które są
grafenowymi rurkopodobnymi materiałami, o średnicy 2,5 nm i długości ok. 40 nm.
Posiadają dużą powierzchnię wewnętrzną, do ich syntezy nie używa się katalizatora,
dlatego nie ma potrzeby ich oczyszczania, co stanowi zaletę. Dodatkowo są dość stabilne
i odporne na działanie środowiska fizjologicznego, nawet silnie kwaśnego. W wyniku
modyfikacji występują defekty struktury - grupy tlenowe na krawędziach, które
umożliwiają wiązanie kowalencyjne leku. Chemiczne zablokowanie takich defektów
skutkuje bardzo precyzyjnym
uwalnianiem
substancji
aktywnej
w określonym
miejscu [149].
36
4.1.5. Materiały ceramiczne
Ceramiczne materiały implantacyjne wykorzystuje się do wypełnienia ubytków
kostnych powstałych w wyniku urazów mechanicznych, bądź chorób kostnych (zapalenie
szpiku kostnego, osteoporoza, rak kości). Najczęściej stosowanymi materiałami
ceramicznymi są hydroksyapatyt (HA) i ortofosforan (V) wapnia (TCP). HA wykazuje
dobrą biozgodność oraz bioaktywność, jego pozytywne właściwości osteokonduktywne
wpływają na szybszy wzrost tkanki kostnej [150].
Wiele badań nad biomateriałami wykazały, że ceramiczne implanty mogą być
również dobrymi nośnikami leków tworząc tzw. szkieletowe systemy dostarczania leków
(ang. skeletal drug delivery system). Złamania otwarte, zabiegi chirurgiczne o niskim
stopniu sterylności, osłabienia immunologiczne operowanego miejsca są przyczyną
zakażenia kości i trudno gojących się stanów zapalnych. Implanty kostne z HA i TCP po
wszczepieniu do organizmu pełnią równocześnie funkcje rusztowania ubytku kostnego, na
którym obudowuje się kość, jak i nośnika, dostarczając miejscowo substancje aktywne
w odpowiedniej dawce i określonej szybkości uwalniania. Konwencjonalne leczenie
poprzez dożylne czy doustne podanie leku w takich chorobach jak rak kości, zapalenie
szpiku kostnego, chroniczne stany zapalne kości czy osteoporoza nie zawsze zapewnia
pożądany efekt terapeutyczny. Związane jest to ze stosowaniem dużych dawek leków,
nawet toksycznych, przez dłuższy czas, co może prowadzić do skutków ubocznych
w organizmie żywym. Dlatego domiejscowe podanie leku w przypadku tkanki kostnej
często decyduje o skuteczności leczenia zakażenia [151-153].
Prowadzono również badania nad wytworzeniem porowatych implantów
korundowych jako nośników leków antybakteryjnych. Implanty charakteryzowały się
porowatością otwartą ok. 65-75 % i zostały nasycone cefazoliną, wankomycyną,
netylmecyną, gentamycyną. Tak przygotowane materiały wprowadzono do tkanki wraz ze
szczepem bakterii Pseudomonas aeruginosa i Staphylococcus aureus. W rezultacie nie
zauważono
klinicznych
objawów
zakażenia
i
uzyskano
pozytywny
efekt
terapeutyczny [154].
4.2. Organiczne nośniki substancji aktywnych
Najbardziej
powszechnymi
organicznymi
nośnikami
leków
są
polimery.
Umożliwiają one zwiększenie aktywności leku, przedłużone działanie oraz zmniejszenie
szkodliwych efektów ubocznych. W pierwszej połowie ubiegłego wieku pojawiły się
doniesienia na temat modyfikacji leków polimerami, głównie w chemioterapii schorzeń
37
nowotworowych. Nośnik polimerowy stanowi otoczkę, z którą cząsteczka substancji
aktywnej jest związana. Polimer jest więc środkiem transportowym leku. Przechodzi
prawie nienaruszony przez żołądek i część jelita, uwalnia substancję aktywną w dalszej
części przewodu pokarmowego ulegając hydrolizie. Początkowo używano polimerów
o średnich masach cząsteczkowych, lecz ze względu na szkodliwe skutki uboczne,
większym
zainteresowaniem zaczęły cieszyć się
polimery o
mniejszej
masie
cząsteczkowej (nanopolimery) [155].
Wybór polimeru jako nośnika substancji aktywnej stanowił wyzwanie dla
naukowców, z powodu naturalnej różnorodności struktur i wymagał szerokiej wiedzy na
temat ich właściwości fizykochemicznych, mechanicznych czy biologicznych. W 1999r.
Angelova
i
Hunkeler
zaproponowali
klasyfikację
polimerów
do
zastosowań
biomedycznych (Tabela1) [156].
Tabela1. Klasyfikacja polimerów stosowanych w systemach uwalniania leków [156]
Klasyfikacja
NATURALNE POLIMERY
Polimery bazujące na białkach
Polisacharydy
POLIMERY SYNTETYCZNE
BIODEGRADOWALNE
Poliestry
Polibezwodniki
Polimer
Kolagen, albumina, żelatyna
Agaroza, alginian, karagen, kwas hialuronowy,
dekstran, chitozan
Poli(kwas mlekowy), poli(kwas glikolowy),
poli(hydroksymaślan), poli(kaprolakton),
poli(kwas jabłkowy), poli(dioksany)
Poli(kwas sebacynowy), poli(kwas adypinowy),
poli(kwas teraftalowy) oraz ich kopolimery
Poliamidy
Poli(iminokwas węglanowy), poli(aminokwasy)
Polimery bazujące na związkach fosforu
Polifosforany, polifosfoniany, polifosfazeny
Inne
Policycajoakrylany, poliuretany, poliorto estry,
polidihydropirany, poliacetale
NIEBIODEGRADOWALNE
Pochodne celulozy
Karboksymetyloceluloza, octan celulozy,
propionian celulozy,
hydroksypropylometyloceluloza
Silikony
Polidimetylosiloksan, krzemionka koloidalna
Polimery akrylowe
Inne
Polimetakrylany, poli(metakrylan metylu),
polimetakrylan hydroksyetylu
Poliwinylopirolidon, poloksamery,
poloksaminy, octan etylowinylu
38
4.2.1. Polimery naturalne
Pozytywnym aspektem zastosowana polimerów pochodzenia naturalnego jest to,
że występują w przyrodzie, łatwo można je modyfikować i są biokompatybilne. Większość
nośników substancji aktywnych pochodzenia naturalnego oparta jest na proteinach
i polisacharydach. Stosowanie protein zostało jednak ograniczone ze względu na słabą
odporność mechaniczną, sporadyczne występowanie reakcji immunologicznej i duże
koszty. Polisacharydy natomiast są bardziej opłacalne pod względem cenowym i mają
szeroki zakres właściwości fizykochemicznych [157].
Albuminy to nietoksyczne i nieimmunogenne białka, które występują w osoczu
krwi i mleku, w tkankach zwierzęcych i nasionach roślin. Cechują się niewielkimi masami
cząsteczkowymi, dobrze rozpuszczają się w wodzie, lecz w podwyższonej temperaturze
ulegają denaturacji. Ich budowa umożliwia łączenie się z cząsteczkami substancji
aktywnej, jak również z hormonami czy kwasami tłuszczowymi. Dzięki możliwości
kontrolowania ich właściwości fizykochemicznych, wykorzystywane są do tworzenia
mikrosfer o średnicy w zakresie 1-200 µm. Cechują się dwuetapową kinetyką uwalniania,
z początkowo gwałtownym uwalnianiem substancji aktywnej. Zwykle łączy się je z innym
polimerem w celu zabezpieczenia przed zbyt szybkim uwolnieniem substancji czynnej. Do
utworzenia takich mikrosfer wykorzystuje się albuminy ludzkie lub wołowe i stosuje
w leczeniu stanów zapalnych [158,159].
Kolagen jest głównym białkiem tkanki łącznej, posiada dużą odporność na
rozciąganie i stanowi podstawowy składnik ścięgien, uczestniczy więc w procesach
koagulacji i gojenia ran. Należy do grupy protein fibrylarnych, pod wpływem kolagenaz
nie ulega biodegradacji i jest nierozpuszczalny w wodzie. Kolagen w postaci mikrosfer jest
dobrym nośnikiem dla białek. Jednakże charakteryzuje się małą wytrzymałością
mechaniczną oraz niewystarczającą stabilnością, przez co może dochodzić do zbyt
szybkiego uwalniania substancji aktywnej z matrycy [160].
Żelatyna, czyli mieszanina białek i peptydów, pozyskiwana jest na drodze
częściowej hydrolizy kolagenu, zawartego w skórze, chrząstkach i kościach zwierzęcych.
Typ A odpowiada żelatynie otrzymanej z kolagenu skóry wieprzowej oraz typ B - z kości
zwierząt. Ze względu na właściwości mukoadhezyjne żelatyny, używana jest do
otoczkowania mikrosfer. Przykładem mogą być mikrosfery poli-ε-kaprolaktonowe,
w których żelatyna znacznie ogranicza w pierwszej fazie uwalnianie substancji czynnej.
39
Poza tym żelatyna posiada właściwości immunogenne, które zmniejszają zakres
wykorzystaniach ich w mikrosferach pozajelitowych [161].
Chitozan powstaje w procesie chemicznej deacetylacji chityny różnych gatunków
skorupiaków. Jest kationowym kopolimerem, zbudowanym z połączonych wiązaniem β1,4-glikozydowym reszt glukozaminy i N-acetylo-glukozaminy. Jest dobrym materiałem
do syntezy mikrosfer doustnych, do oka, czy podpoliczkowych, dzięki właściwościom
mukoadhezyjnym, wydłuża czas kontaktu substancji leczniczej z błoną śluzową. Ponadto,
chitozan poprawia transport substancji aktywnych przez błony biologiczne, jest
nietoksyczny, biozgodny i nieimmunogenny. W wyniku formowania żelu powyżej pH 6.5
możliwe jest tworzenie mikrosfer chitozanowych. Przez odpowiedni dobór masy
cząsteczkowej chitozanu i stopnia deacetylacji, można wpłynąć na wielkość mikrosfer,
co jest związane z czasem uwalniania substancji aktywnej [162].
Alginian zbudowany jest z reszt kwasu α-L-guluronowego i β-D-mannurowego
połączonych ze sobą wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Polimer ten występuje w postaci
soli magnezowych, barowych lub sodowych, a pozyskiwany z brunatnych alg i traw
morskich. Jest rozpuszczalny w wodzie, a jego synteza jest prosta, szybka i nie wymaga
zastosowania agresywnych warunków. Dzięki temu możliwe było zamknięcie w matrycy
substancji nietrwałych, takich jak białka czy kwasy nukleinowe. Alginiany są
nietoksyczne, wykazują silne właściwości mukoadhezyjne oraz biozgodność. Ich struktury
są jednak niestabilne, a mikrosfery cechują się dużą porowatością, w wyniku czego
dochodzi do dużych strat substancji aktywnej. Dlatego polimer ten jest często
modyfikowany np. przez kowalencyjne łączenie łańcuchów akrylowych, co zwiększa
hydrofobowość i wytrzymałość materiału, natomiast kompleksowanie z przeciwnie
naładowanym elektrolitem zmniejsza straty substancji czynnej [163].
Kwas
hialuronowy
to
glikozoaminoglikan,
występujący
we
wszystkich
organizmach żywych - w stawach, gałce ocznej, płynie łzowym i innych. Może być jednak
pozyskiwany na drodze biotechnologicznej. Pełni ważną rolę w gojeniu ran oraz procesach
zapalenia, powstawania przerzutów i progresji nowotworowej. Kwas ten szybko ulega
degradacji, co ogranicza możliwość zastosowania go jako nośnika do przedłużonego
uwalniania substancji czynnych. W związku z tym, tak jak w przypadku alginianów
zachodzi potrzeba modyfikacji, czy połączenia go z innym polimerem. Działa
przeciwzapalnie, zmniejsza siły tarcia, stosowany jest więc w reumatologii przy wymianie
40
i uzupełnianiu płynów tkankowych. Często krople do oczu zawierają kwas hialuronowy,
ze względu na to, że pomaga w leczeniu zachowawczym i pooperacyjnym oka [159,163].
4.2.2. Polimery syntetyczne biodegradowalne
Poliestry to jedne z najbardziej rozpowszechnionych polimerów, zaliczyć można do
nich estry kwasu ε-kaprolaktonowego (PCL), mlekowego (PLA), glikolowego (PGA) oraz
ich kopolimery (np. kopolimer kwasu mlekowego i glikolowego – PLGA). Posiadają dobre
właściwości mukoadhezyjne oraz są biozgodne. Podczas hydrolizy rozkładają się na
nietoksyczne α-hydroksykwasy, a następnie w cyklu kwasu cytrynowego do CO2 i H2O.
Substancja aktywna związana z takimi polimerami może uwalniać się w dwu, a nawet w
kilkufazowej kinetyce. To w jakim stopniu jest uwalniana substancja aktywna zależy od
proporcji poszczególnych monomerów w kopolimerze (PLA:PGA), modyfikacji masy
cząsteczkowej lub stereochemii [68]. Hydrofobowa powierzchnia matrycy poliestrowej
jest szybko wychwytywana przez układ siateczkowo-śródbłonkowy, powodując skrócenie
czasu przebywania substancji aktywnej w układzie krążenia. Wśród wymienionych
poliestrów poli ε-kaprolakton charakteryzuje się wolniejszym stopniem degradacji [164].
Polibezwodniki są hydrofobowymi biozgodnymi polimerami, wrażliwymi na
działanie wody. Na drodze erozji powierzchniowej dość szybko ulegają biodegradacji,
zapewniają tym samym korzystną kinetykę uwalniania substancji aktywnej. Dzięki
odpowiedniemu doborowi rodzaju i ilościowego stosunku monomerów alifatycznych (np.
reszty kwasu sebacynowego, adypinowego, dodekanodienowego) można wytworzyć
nośniki o przedłużonym uwalniania substancji aktywnej nawet do kilku tygodni [164].
Polifosfoestry to polimery, których szkielet monomeru składa się z estrowego
połączenia kwasu fosforowego (V) z wbudowanymi podstawnikami. Biozgodność
i
biodegradowalność
zawdzięczają
rozpadowi
do
nietoksycznych
metabolitów
w organizmie, na skutek hydrolizy wiązania estrowego. Polifosfoestry hydrofilowe są
stosowane
w
terapii
genowej,
natomiast
hydrofobowe
są
nośnikami
dla
małocząsteczkowych leków czy białek [163,165].
Poliaminokwasy
to
biozgodne
polimery
hydrofobowe,
o
korzystnych
właściwościach adhezyjnych. Są dobrymi nośnikami dla substancji drobnocząsteczkowych
i protein. Mają jednak ograniczone zastosowanie ze względu na odporność hydrolityczną,
ponieważ wiązania amidowe ulegają rozpadowi w obecności określonych enzymów,
co skutkuje zbyt niskim stężeniem uwalnianego leku in vivo [166].
41
4.2.3. Polimery syntetyczne niebiodegradowalne
W grupie tych polimerów znajdują się różne pochodne celulozy, które są łatwo
dostępne, nietoksyczne i szeroko wykorzystywane w preparatyce farmaceutycznej.
Hypermeloza czy karmeloza sodowa - półsyntetyczne pochodne celulozy o charakterze
hydrofilowym, polepszają biodostępność leków o charakterze lipofilowym [167],
natomiast w kontakcie z wodą tworzą żel, który powoduje przedłużone uwalnianie
substancji aktywnej. Hydrofobowe pochodne celulozy np. etyloceluloza, mogą tworzyć
mikrosfery flotacyjne, które wykorzystuje się do zwalczenia Helicobacter Pyroli z błony
śluzowej żołądka, w celu leczenia i zapobiegania nowotworom, chorobom wrzodowym
żołądka i dwunastnicy. Pochodne celulozy rozpuszczalne w środowisku zasadowym, takie
jak octanoftalan lub acetylobursztynian celulozy, chronią substancję aktywną przed
uwalnianiem się w sokach żołądkowych, tworzą często mikrosfery dojelitowe [168].
Polimery akrylowe to nietoksyczne polimery, które po zobojętnieniu ulegają
żelowaniu.
Wykorzystywane
są
jako
protezy
i
wypełniacze
w
stomatologii.
Z poli(metakrylanu metylu) PMMA wytwarza się materiały opatrunkowe, endoprotezy,
syntetyczne kleje tkankowe, soczewki wewnątrzgałkowe. Polimetakrylany mogą być
rozpuszczalne
w
środowisku
kwaśnym
lub
poliakrylanami, uwalniają substancję leczniczą
zasadowym.
drogą
Tabletki
powlekane
dyfuzji. W przewodzie
pokarmowym wzrasta przepuszczalność powłoki, przez którą wypłukiwana jest substancja
aktywna. Wadą natomiast jest to, że mogą kumulować się w organizmie [169].
4.2.4. Dendrymery
Dendrymery występują również pod nazwą arborole (łac. arbor – drzewo) lub
molekuły kaskadowe, pod względem chemicznym są to polimery o rozgałęzionej,
trójwymiarowej budowie, o kształcie zbliżonym do kuli. Dendrymer składa się
z wielofunkcyjnego rdzenia, od którego promieniście odchodzą ramiona ("gałęzie") zwane
dendronami. Na ich końcach znajdują się wolne grupy funkcyjne, które można zmieniać
przez różne podstawniki, modyfikujące właściwości fizykochemiczne. Dendrymery
zakończone grupą karboksylową -COOH lub -COONa to tzw. dendrymery połówkowe,
natomiast całkowite zawierają grupy aminowe -NH2 lub hydroksylowe -OH. W cząsteczce
dendrymeru znajdują się wolne przestrzenie tzw. jamy, które stanowią pewnego rodzaju
kieszenie, w których można umieścić różne cząsteczki [170]. Struktura ich stwarza zatem
prawie idealne warunki do unieruchamiania substancji aktywnych i tworzenia układów
hybrydowych. Cząsteczki substancji aktywnych mogą być przyłączone do grup
42
powierzchniowych lub zamknięte w jamach dendrymeru poprzez enkapsulację.
Enkapsulacja cisplatyny (leku przeciwnowotworowego) wewnątrz cząsteczki
dendrymeru poliamidoaminowego (PAMAM) pozwoliła uzyskać koniugat odznaczający
się przedłużonym uwalnianiem leku. Wpłynęło to na większą kumulację w litym guzie
i mniejszą toksyczność w porównaniu do samej cisplatyny [171]. Dendrymery PAMAM
mogą tworzyć koniugaty nawet z 78 cząsteczkami ibuprofenu. Takie połączenie zachodzi
pod wpływem oddziaływań elektrostatycznych między grupami aminowymi dendrymeru,
a karboksylowymi od ibuprofenu. W ten sposób cząsteczki ibuprofenu były
transportowane do komórek nabłonkowego raka płuc [172]. Dendrymery wykorzystano
również jako nośniki leków stosowanych w leczeniu okulistycznym. Badania in vivo
w testach prowadzonych na królikach wykazały, że zastosowanie dendrymerów
zwiększyło dostępność biologiczną cząsteczek leków zawartych w kroplach do oczu,
wydłużając czas działania leku w rogówce [173].
4.2.5. Nośniki czułe na bodźce
W grupie nośników "czułych na bodźce" znajdują się materiały, dla których
fizyczne bodźce zewnętrzne (temperatura, światło, pole magnetyczne, elektryczne) lub
bodźce o charakterze chemicznym (zmiana pH, obecność określonych jonów lub molekuł
chemicznych) wywołują specyficzne zmiany ich właściwości, np. objętościowe przejście
fazowe lub przejście typu zol-żel.
W nośnikach termowrażliwych wykorzystuje się zjawisko utraty mieszalności
polimeru powyżej krytycznej temperatury rozpuszczalności. Przejścia fazowe związane są
z oddziaływaniami między łańcuchami polimerowymi a molekułami wody oraz
oddziaływaniami łańcuch-łańcuch. Takie polimery zawierają zatem zarówno ugrupowania
hydrofilowe jak i hydrofobowe. Wzrost temperatury wpływa na osłabienie wiązań
wodorowych
polimer-woda
i
dodatkowo
promuje
oddziaływania
hydrofobowe
polimer-polimer (dipolowe, wodorowe, van der Waalsa). W rezultacie struktura łańcucha
polimerowego zmienia się do postaci kłębka i następuje separacja faz.
Takie formy nośnika są stosowne do podawania penetralnego. Zastosowanie ich jest mniej
inwazyjne i bolesne niż implanty, których podanie wymaga miejscowego znieczulenia
i interwencji chirurgicznej. Ponadto można wprowadzić je w trudno dostępne miejsca,
a uwalnianie z nich zachodzi powoli [174]. Do amfifilowych termowrażliwych nośników
należą m.in. poloksamery - pluroniki, które są stosowane jako nośniki substancji słabo
rozpuszczalnych o niewłaściwej farmakokinetyce i o niskiej stabilności w środowisku
43
fizjologicznym. W temperaturze ok. 4oC, 20-22% roztwór Pluroniku F-127 jest płynny
a po ogrzaniu do 18oC tworzy lepki żel, z którego lek uwalniany jest przez dyfuzję. Ilość
uwalnianego leku zależy od soli i organicznych rozpuszczalników, które mogą zmieniać
temperaturę przejścia fazowego zol-żel.
Nośniki wrażliwe na zmianę pH to głównie polimery zawierające w swoich
łańcuchach grupy funkcyjne pochodzące od słabych zasad lub kwasów. Przy małym pH,
w
wyniku
oddziaływań
karboksylowymi,
wodorowych
segmenty
pomiędzy
polikwasów
niezjonizowanymi
przyciągają
się.
grupami
Oddziaływania
wewnątrzcząsteczkowe odpowiedzialne są za kurczenie makromolekuły do zwartej
globuli, z kolei oddziaływania międzycząsteczkowe powodują agregację makromolekuł,
co skutkuje wytrąceniem polimeru z roztworu. Przy wzroście pH grupy karboksylowe
ulegają jonizacji, odpychają się, powodując rozluźnienie łańcucha polimerowego
i przejście polimeru do roztworu. Przejście fazowe dla polizasad jest podobne, ale kierunek
zmian jest odwrotny. Typowymi polimerami jonowymi wrażliwymi na zmianę pH
są
poliakryloamidy
(PAAm):
polidietyloaminoetylometakrylan,
kwas
poliakrylowy,
kwas
polimetakrylowy,
polidimetyloaminoetylometakryla).
Hydrożel
z kopolimeru hydroksyetylometakrylanu może być wykorzystany jako nośnik insuliny. W
nośniku zawierającym nasycony roztwór insuliny, unieruchamia się enzymy: oksydazę
glukozową i katalazę. Dyfuzja glukozy w hydrożelu powoduje pęcznienie, a następnie
konwersję glukozy do kwasu glukonowego. Dochodzi do spadku wartości pH
w mikrośrodowisku hydrożelu oraz stężenia glukozy, w odpowiedzi na uwolnienie
insuliny [175].
4.3. Liposomy
Liposomy to pęcherzykowate struktury, powstałe podczas hydratacji fosfolipidów.
Zbudowane są z zamkniętych, koncentrycznych dwuwarstw lipidowych, oddzielających
przestrzenie wodne. Ze względu na możliwość zamknięcia substancji hydrofilowych lub
hydrofobowych o znaczeniu terapeutycznym, znalazły zastosowanie w medycynie. Łatwo
ulegają biodegradacji i są nietoksyczne. Amfifilowe substancje aktywne wbudowane
w liposomy, rozmieszczają się w sposób zorientowany, przez co uwalnianie substancji
aktywnej odbywa się na drodze:
 asocjacji - zewnętrzna warstwa błony bimolekularnej łączy się z zewnętrzną
częścią błony komórkowej, dochodzi do unieruchomienia liposomu, a substancja
czynna uwalnia się do wnętrza komórki,
44
 fuzji komórek - jedna warstwa liposomu łączy się z błoną komórkową, a liposom
pomniejszony o jedną warstwę przenika do wnętrza komórki, gdzie następuje
strawienie otoczki,
 endocytozie - błona komórkowa otacza liposom, który zostaje wchłonięty do
wnętrza komórki.
Inkorporacja substancji aktywnych w dwuwarstwę liposomową zwiększa
efektywność terapeutyczną oraz zmniejsza skutki uboczne leków przeciwnowotworowych
lub antybiotyków. Liposomy modyfikowane białkowymi ligandami, pomagają kierować je
wraz z zamkniętymi substancjami czynnymi do docelowej tkanki. Ponadto liposomy są
rozpoznawane przez układ siteczkowo-śródbłonkowy, przez co stosowane są w terapii
chorób atakujących komórki tego układu, w tym nowotworów, zakażeń bakteryjnych
i pasożytniczych [176,177]. Wchodzą również w skład preparatów kosmetycznych,
pokonując barierę naskórka, przenosi w głąb skóry aktywne substancje nawilżające,
odżywcze, witaminy itp..
5. Wprowadzenie substancji aktywnej na nośnik
Wybór metody wprowadzenia substancji aktywnej na nośnik zależy od tego,
z jakim rodzajem nośnika mamy do czynienia. Przy tworzeniu materiałów hybrydowych,
w pierwszym etapie można wprowadzić substancję czynną do materiału nieorganicznego,
a następnie związać go z polimerem. Większość nośników nieorganicznych posiada
strukturę porowatą, która stwarza dogodne warunki dla wprowadzenia do wnętrza swych
kanałów innych cząsteczek i proces ten powinien przebiegać bez większych problemów.
Niezależnie od typu struktury i funkcjonalizacji porowatego nośnika, wyróżnia się dwie
główne procedury adsorpcji substancji aktywnej. Są to: adsorpcja leku z roztworu
poddanego ciągłemu mieszaniu oraz impregnacja materiału roztworem leku zwana
"incipient wetness" [69]. Innymi metodami wprowadzenia substancji aktywnej na nośnik
są: bezpośrednia spontaniczna synteza matrycy zawierającą uwięzioną wewnątrz porów
substancję czynną oraz stapianie (ogrzewanie) mieszaniny substancji aktywnej
i sproszkowanego materiału nośnika "melt method".
5.1. Adsorpcja z roztworu substancji aktywnej wskutek nieustannego
mieszania
W procedurze tej lek i materiał porowaty użyty jest w stosunku równomolowym,
w środowisku rozpuszczalnika organicznego. Materiał nieorganiczny jest całkowicie
zamoczony w roztworze farmaceutyku i poddany lekkiemu mieszaniu w czasie od 24
45
godzin do 3 dni, zapobiegając odparowaniu rozpuszczalnika [69,178]. Następnie materiał
należy odsączyć, poddać szybkiemu przemyciu rozpuszczalnikiem i wysuszyć.
Wprowadzenie substancji aktywnej powoduje zmiany w porowatości materiału. Dla
materiałów zawierających oprócz mezoporów również mikropory (np. SBA-15), można
zauważyć spadek objętości mikroporów (następuje preferencyjne lokowanie w
mikroporach substancji aktywnej, o odpowiednio małych rozmiarach np. ibuprofen). Po
wypełnieniu dostępnych mikroporów substancja czynna adsorbuje się na wewnętrznej
powierzchni mezoporów, aż do utworzenia cienkiego filmu cząsteczek [179]. Ważną rolę
spełnia również rodzaj użytego rozpuszczalnika. W przypadku użycia np. heksanu, etanolu
lub metanolu, bardzo wysokie stężenie wprowadzonego leku do wnętrza porów
wykazywał heksan. Jest to jednak substancja o właściwościach wysoce toksycznych.
Dlatego lepszy wydaje się być etanol, ze względu na swoją dostępność, nietoksyczność
i niewiele niższą efektywność [180].
5.2. Impregnacja materiału porowatego roztworem leku
Impregnacja (zwilżanie) roztworem leku jest metodą wygodną i praktyczną,
zakładającą obecność dużej objętości porów, zdolnych do wypełnienia określoną ilością
roztworu leku w rozpuszczalniku organicznym. Omija się dzięki temu etap ustalenia
równowagi pomiędzy wypełnionymi roztworem porami, a roztworem leku na zewnątrz
materiału. Jest to procedura bardzo efektywna, umożliwiająca wprowadzenie nawet
molekuł o dużych masach cząsteczkowych (np. barwników) [179]. Podobnie jak
w poprzedniej metodzie zakłada się trzydniową impregnację. Ilość użytego roztworu
substancji aktywnej i nośnika zazwyczaj jest równomolowy, a dodatkowo nośnik
prasowany jest w formie dysku, aby poprawić proces wprowadzenia leku [69]. Zmieniając
stosunek molowy macierzy do leku, nie zauważono znacznej różnicy w ilości
zaimpregnowanej substancji aktywnej. Tymczasem kilkukrotne stosowanie impregnacji
nośnika, z odparowaniem rozpuszczalnika pomiędzy kolejnymi etapami miało wpływ na
wzrost ilości zaadsorbowanej substancji czynnej [125,181].
5.3. Ogrzewanie sproszkowanej mieszaniny leku oraz materiału porowatego
- "melt method"
Metoda
ta
została
zaczerpnięta
z
procedury
wprowadzenia
cząsteczek
sproszkowanych barwników do wnętrza zeolitów [182]. Unika się zatem użycia
organicznych rozpuszczalników, z kolei przygotowuje się mieszaninę fizyczną substancji
aktywnej oraz nośnika i podgrzewa powyżej temperatury topnienia leku. Przykładem może
46
być ibuprofen, który podgrzewany powyżej 100oC (ma dosyć niską wartość lepkości),
ulega procesowi dyspersji na wewnętrznych ścianach kanałów materiałów porowatych, co
pozwala skrócić czas adsorpcji do minut. Niestety, często na zewnętrznej powierzchni
matrycy powstają skupiska substancji aktywnej, przez co ilość cząsteczek leku wewnątrz
porów jest niezadowalająca [179].
5.4. Jednoetapowa synteza z użyciem substancji aktywnej jako templatu
Stucky oraz jego grupa badawcza zaproponowali metodę, w której ibuprofen
wprowadzany jest do materiału krzemianowego na drodze bezpośredniej spontanicznej
jednoetapowej syntezy. Tworzenie uporządkowanego materiału mezoporowatego zachodzi
na skutek oddziaływań S-N+I-, w tym przypadku pomiędzy surfaktantem, źródłem
krzemionki, a ibuprofenem. Otrzymany materiał zawierał 25% substancji aktywnej
w porach matrycy i wykazywał satysfakcjonujące profile uwalniania [183].
6. Uwalnianie
farmaceutycznej
substancji
aktywnej
-
badanie
dostępności
Każdy lek, który został podany do ustroju, ulega szeregowi przemian, które określa
się akronimem LADME. Nazwa pochodzi od pierwszych liter procesów zachodzących
kolejno po sobie. L - liberation- oznaczana uwolnienie, czyli rozpad postaci leku
i uwolnienie substancji aktywnej. A - absorption - wchłanianie, to przedostawanie się
cząsteczek leku z miejsca uwolnienia do krwi (często zachodzi na zasadzie dyfuzji
biernej). D - distribution - dystrybucja; dochodzi do rozprowadzenia i przenikania leku
z krwi do pozostałych tkanek. Najwięcej cząsteczek leku kumuluje się w tkankach
i organach bardziej unaczynionych. Wiele leków wiąże się z białkami osocza, co zmniejsza
ich działanie terapeutyczne, ale przedłuża ich proces eliminacji. M - metabolism metabolizm, biotransformacja; struktury cząsteczek leku ulegają zmianie chemicznej, które
czasami prowadzą do utraty właściwości leczniczych. Niektóre leki są wydalane w postaci
niezmienionej. E - elimination - eliminacja; cząsteczki substancji aktywnej są usuwane
z tkanek. Dzięki działaniu nerek i wątroby, stężenie leku w organizmie maleje. Tempo
oczyszczania krwi z leku zwane jest klirensem [184]. Farmakokinetyka to dział, który
zajmuje się badaniem relacji pomiędzy podaniem leku, czasem trwania jego dystrybucji
i eliminacji, a stężeniem osiągniętym w różnych częściach ustroju.
Badanie uwalniania (dostępności farmaceutycznej) jest jedną z metod oceny jakości
preparatów na etapie przygotowania nowej formulacji, a po ich zarejestrowaniu staje się
rutynowym testem, który udowadnia powtarzalność procesu produkcyjnego dla każdej
47
serii preparatu. W zależności od potrzeb, badania te prowadzi się stosując test
jednopunktowy lub wielopunktowy. W teście jednopunktowym wyznacza się ilość
uwolnionej substancji leczniczej do płynu akceptorowego, po określonym czasie,
a uzyskany wynik porównuje się do przyjętych kryteriów akceptacji. Z kolei test
wielopunktowy informuje nas o zmianach ilości uwalnianej substancji aktywnej, w kilku
lub nawet kilkunastu punktach czasowych. Dla takich danych można wyznaczyć zależność
ilości uwolnionej substancji aktywnej od czasu prowadzenia badania, tworząc krzywą tzw.
profil uwalniania substancji czynnej. Profile charakteryzują produkt leczniczy bardziej
precyzyjnie niż test jednopunktowy, co więcej określają prędkość i stopień uwalniania
substancji aktywnej. Są ważnym elementem na etapie prac rozwojowych nad postacią
leku. W związku z tym, sporządza się profile uwalniania dla różnych formulacji, bądź serii
produkcyjnych i porównuje podobieństwa między nimi [185].
Uwalnianie substancji aktywnej zależy od procesów rozpuszczania i dyfuzji
substancji leczniczej. Profil uwalniania substancji aktywnej może być opisywany
z pomocą różnych modeli matematycznych. Wyróżniamy następujące modele uwalniania
substancji aktywnej:
Model zerowego rzędu - opisuje układ, w którym szybkość uwalniania substancji aktywnej
jest niezależna od jej stężenia [186,187]. Uwalnianie substancji aktywnej zachodzi powoli,
może być wyrażone równaniem:
Qt = Q0 + K0t
(1)
w którym: Qt to ilość uwolnionej substancji aktywnej w czasie t, Q0 - początkowa ilość
substancji aktywnej w roztworze (zazwyczaj Q0 = 0), K0 jest stałą szybkości uwalniania
zerowego rzędu. Graficznie równanie można przedstawić w postaci wykresu ilości
Ilość uwolnionej substancji
aktywnej [%]
uwolnionej substancji aktywnej [%] od czasu [h] (Rysunek 9).
100
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
Czas [h]
Rysunek 9. Kinetyka zerowego rzędu
48
Model pierwszego rzędu - obejmuje układ, w którym szybkość absorpcji i eliminacji
substancji aktywnej zależy od stężenia. Zmiany stężenia mogą być wyrażone następującą
zależnością [186,188]:
log C = log C0 - kt / 2.303
(2)
w której: C0 jest początkowym stężeniem roztworu substancji aktywnej, k jest stałą
szybkości uwalniania pierwszego rzędu. Uzyskane dane są wykreślane jako log z ilości
uwalnianej substancji aktywnej od czasu (Rysunek 10), w wyniku której otrzymuje się
Log z ilości uwolnionej
substancji aktywnej [%]
linię prostą o nachyleniu -k / 2.303.
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
Czas [h]
Rysunek 10. Kinetyka pierwszego rzędu
Model Higuchiego
Model ten jest stosowany w nośnikach, w których stężenie leku jest dużo wyższe
niż rozpuszczalność substancji aktywnej w nośniku. Zatem może być wyrażone
równaniem:
f t  Q  A D(2C  C s )C s t
(3)
w którym: Q to ilość uwolnionej substancji aktywnej w czasie t na jednostkę powierzchni
nośnika A, C jest początkowym stężeniem roztworu leku, Cs rozpuszczalność substancji
aktywnej w nośniku, D współczynnik dyfuzji substancji aktywnej [189,190]. Równanie to
ma sens w przypadku układów homogenicznych, gdzie substancja aktywna jest
równomiernie rozprowadzona w całej objętości nośnika. Aby zbadać uwalnianie
z układów heterogenicznych, w których stężenie substancji aktywnej jest niższe niż jego
rozpuszczalność, a uwalnianie następuje przez pory nośnika, zastosowano równanie:
ft  Q 
D

(2C  C s )C s t
(4)
49
w
którym:
D
jest
współczynnikiem
dyfuzji
cząsteczek
substancji
aktywnej
w rozpuszczalniku, δ to porowatość matrycy, τ to krętość porów, Q, A, Cs i t są wyjaśnione
powyżej. Krętość jest zdefiniowana jako wielkość promienia i rozgałęzienia porów oraz
kanałów w matrycy. Generalnie proces uwalniania leku z wnętrza nierozpuszczalnej
matrycy można opisać, za pomocą pierwiastka kwadratowego procesu zależnego od czasu,
opartego na prawie dyfuzji Fick'a, wyrażonego równaniem [188]:
Q  K H t1
2
(5)
gdzie: KH jest to stała szybkości uwalniania Higuchiego.
Z powyższych danych otrzymuje się wykres zależności ilości uwolnionej substancji
Ilość uwolnionej
substancji aktywnej
[%]
aktywnej [%] od pierwiastka kwadratowego z czasu √t (Rysunek 11).
100
80
60
40
20
0
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
Czas [h-1/2]
Rysunek 11. Kinetyka uwalniania substancji aktywnej wg modelu Higuchiego
Model Korsmeyer-Peppasa
W 1983r. Korsmeyer i współpracownicy opisali uwalnianie substancji aktywnej z
matryc polimerowych, a kinetykę uwalniania wyrazili równaniem [191]:
M t / M   Kt n
(6)
w którym: Mt to ilość uwolnionej substancji aktywnej po czasie t, M  to całkowita ilość
uwolnionej substancji aktywnej, k jest stałą szybkości uwalniania, n - współczynnik
dyfuzji. Wartość współczynnika n charakteryzuje różne mechanizmy uwalniania.
Dla wartości n = 0,5 mechanizm uwalniania substancji czynnej zachodzi zgodnie
z kinetyką dyfuzji Ficka (ang. Fickian diffusion). W przypadku gdy n = 0,9 mechanizm
transportu uwalniania substancji aktywnej prowadzi do zerowego rzędu i stanowi
szczególny przypadek określany jako przypadek II (ang. case II transport). Jeśli
współczynnik n mieści się w zakresie od 0,5 do 0,9, to kinetyka uwalniania ma charakter
anomalny - różny od dyfuzji Ficka (ang. anomalous (non-Fickian) diffusion). Z kolei
dla n > 0,89 mechanizm transportu substancji aktywnej jest określany jako super zerowego
50
rzędu (ang. super case II transport) [188,190]. Graficznie równanie można przedstawić
w postaci wykresu logarytmu ilości uwolnionej substancji aktywnej [log%] od logarytmu
Log z ilość uwolnionej
substancji aktywnej [%]
z czasu [logh] (Rysunek 12).
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,5
1
1,5
2
Czas [log h]
Rysunek 12. Kinetyka uwalniania substancji aktywnej wg modelu Korsmeyer-Peppasa
W literaturze można spotkać się z innymi modelami kinetyki uwalniania substancji
czynnej np. model Hixson-Crowell, model Weibull, model Baker-Lonsdale itd. W pracy
opisano tylko te modele, które były używane w obliczeniach kinetyki uwalniania
substancji aktywnej (w części eksperymentalnej).
7. Metody charakterystyki materiałów hybrydowych jako nośników
substancji aktywnej
Ogólna charakterystyka materiałów hybrydowych jako nośników substancji
czynnych jest kluczowym elementem do zrozumienia budowy, właściwości fizycznych,
chemicznych czy mechanicznych oraz procesów zachodzących podczas uwalniania z nich
substancji aktywnych. Materiał hybrydowy, jak już wcześniej wspomniano, zawiera część
organiczną i nieorganiczną, która może zawierać zarówno fazę krystaliczną jak
i amorficzną. Dlatego bardzo często w literaturze można spotkać się z metodą XRD
dyfrakcji
promieniowania
rentgenowskiego,
która
pozwoli
oszacować
stopień
amorficzności materiału nośnika oraz substancji aktywnej. Podstawową zaletą tej metody
jest, fakt, iż w przeciwieństwie do wielu innych metod jakościowych i ilościowych próbka
zwykle nie ulega zniszczeniu w trakcie badania [40,132,193]. Jest to ważny czynnik, gdyż
zakup substancji czynnej jest dość kosztowny. Metoda XRD pozwala ilościowo określić
frakcję amorficzną w układzie poprzez porównanie pól powierzchni pików, szerokości
pików w połowie ich wysokości lub intensywności najbardziej ostrego piku albo kilku
pików. Inną techniką stosowaną w charakterystyce materiałów hybrydowych jest metoda
adsorpcji ciekłego azotu z procedurą Brunauera-Emmetta-Tellera (BET). Dzięki tej
technice można określić powierzchnię właściwą materiałów – jest to szczególnie użyteczne
51
dla materiałów nieorganicznych – oraz objętość i rozmiar porów. Informacje te są istotne,
gdyż polimer może konkurować z substancją czynną o dostęp do miejsc aktywnych,
„zmniejszając‖ powierzchnię właściwą oraz redukując dostępną objętość porów [110,132].
Aby
uzyskać
informację
o
morfologii
powierzchni,
w
mikroobszarach
wykonywane są zdjęcia skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM). Taka technika
ujawnia strukturę zarówno materii nieożywionej jak i ożywionej. Można zatem śledzić
zmiany w tkance ludzkiej, zwierzęcej czy roślinnej, spowodowanej chorobą lub działaniem
substancji chemicznych np. trucizn. Dzięki temu metodę tą stosuje się w toksykologii,
farmakologii czy radiobiologii [132,165].
Wiele doniesień literaturowych można znaleźć odnośnie metod spektroskopowych,
które są konieczne do określenia struktury ugrupowań powierzchniowych oraz stanu
cząstek zaadsorbowanych na nośnikach w warstwie adsorpcyjnej. Stosując spektroskopię
w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) otrzymuje się widmo z pasmami
ugrupowań charakterystycznymi dla danego materiału hybrydowego (nośnik + substancja
aktywna). Po związaniu nośnika z substancją aktywną zachodzą zmiany w postaci
tworzenia np. wiązań wodorowych, co skutkuje przesunięciem się pasm odpowiednich
ugrupowań [77,135]. Jako metodę uzupełniającą stosuje się niekiedy spektroskopię
osłabionego całkowitego odbicia w podczerwieni (ATR), która pozwala określić stan
warstwy wierzchniej materiałów. Informacja ta jest przydatna w manipulowaniu ilości
inkorporowanej substancji aktywnej. Wiele substancji farmakologicznie czynnych
charakteryzowane jest przez widma wibracyjne odpowiadające drganiom o wysokiej
symetrii, np. drgania pierścieni benzenowych, drgania rozciągające N=O aromatycznych
grup nitrowych, symetryczne drgania C-C-C, których nie można badać metodą
spektroskopii w podczerwieni [194]. Pasma ugrupowań widoczne na widmach IR nie
zawierają tego typu drgań charakterystycznych. W związku z tym, zamiast lub jako metodę
uzupełniającą stosuje się spektroskopię Ramana. Pasma w widmie Ramana odpowiadające
drganiom rozciągającym C-H są silniejsze, w porównaniu z pasmami w IR [194, 195].
Jedną z nowszych metod zdolnych do charakteryzowania frakcji amorficznej
w materiałach farmaceutycznych jest spektroskopia w dziedzinie fal submilimetrowych
(TPS), w której stosuje się częstotliwości z zakresu od 3 do 130 cm-1. W tym zakresie fal
widmo substancji amorficznej wygląda jak linia prosta, podczas gdy widmo materiału
krystalicznego posiada szereg charakterystycznych pików [196,197].
52
Metoda odwróconej chromatografii gazowej (IGC) umożliwia dokładne i szybkie
oznaczenie właściwości fizykochemicznych materiałów takich jak: włókna, modyfikowane
krzemionki, związki powierzchniowo czynne, polimery i ich blendy [198-200]. Jest to
metoda prosta, można badać nią materiały o niejednorodnej powierzchni, w dość szerokim
zakresie temperaturowym. Wyznaczenie parametrów takich jak: składowa dyspersyjna
swobodnej energii powierzchniowej, kwasowość i zasadowość powierzchni, parametr
Flory-Huggins‘a odpowiedzialny za wielkość oddziaływań między składnikami układów
złożonych, może pomóc w znalezieniu optimum wpływającego na przedłużone uwalnianie
substancji aktywnej [201-202]. Szczególną wagę przykłada się do oznaczania wartości
parametru Flory-Hugginsa pozwalającego na ilościową ocenę wielkości oddziaływań
pomiędzy składnikami układów złożonych. Badania nad odwróconą chromatografią
gazową są coraz bardziej rozwijane, których wyniki znajdują już zastosowanie
w wieloskładnikowych układach złożonych.
Odwrócona chromatografia gazowa jest rozszerzeniem klasycznej chromatografii gazowej.
Termin odwrócona dotyczy celu badań, którym jest charakterystyka badanego materiału
znajdującego się wewnątrz kolumny, stanowiący nielotną fazę stacjonarną. Podczas
pomiaru IGC gaz nośny kierowany jest do komory, w której miesza się ze związkiem
testowym, a następnie dozowany jest do kolumny. Związek testowy oddziałuje
z wypełnieniem kolumny, a następnie kieruje się do detektora. W detektorze generowany
jest sygnał, który po wzmocnieniu zapisywany jest w pamięci komputera, w postaci piku
chromatograficznego. Parametry charakteryzujące właściwości powierzchniowe badanego
materiału określane są na podstawie parametrów retencji.
W technice IGC, badania mogą być przeprowadzane w dwóch warunkach:
w nieskończonym rozcieńczeniu – nastrzykiwane są bardzo małe ilości par związku
testowego. W tych warunkach zjawisko adsorpcji – desorpcji zachodzi tylko
w monowarstwie. W takim przypadku spełnione jest prawo Henry‘ego dotyczące
rozpuszczalności gazu w cieczy. Innym warunkiem jest zakres stężeń skończonych –
nastrzykuje się wówczas większe ilości związku testowego. Zakres ten stosuje się do
wyznaczania izoterm adsorpcji, w której należy uwzględnić: nieliniowość izotermy, efekt
sorpcyjny, ściśliwość gazu, sorpcję gazu nośnego, zależność izotermy od całkowitego
ciśnienia, zależność stężenia od lepkości, efekty termiczne.
53
CEL I ZAKRES PRACY
Tworzenie materiałów hybrydowych do zastosowania w kompozycjach o
przedłużonym uwalnianiu substancji aktywnej jest podstawowym kierunkiem badań
mających na celu opracowanie nowych postaci leku. Ilość zaabsorbowanej substancji
aktywnej zależy od struktury fizycznej nośnika jak i od charakteru oddziaływań nośniksubstancja aktywna. Dobór składu materiału hybrydowego oraz odpowiednia metoda jego
wytworzenia wymaga dużego nakładu pracy. Opracowanie i wprowadzenie do praktyki
nowej substancji pomocniczej – matrycy hybrydowej wiąże się z przeprowadzeniem
szeregu badań, w tym również badań fizykochemicznych.
Celem pracy jest wyselekcjonowanie i otrzymanie odpowiedniego materiału
hybrydowego jako nośnika substancji aktywnej, który zapewni jej przedłużone uwalnianie.
Ważnym aspektem badań jest dobór nośnika oraz określenie wielkości oddziaływań
między poszczególnymi składowymi nośnika. W ramach niniejszej dysertacji założono
przeprowadzenie następujących badań:

otrzymanie materiałów hybrydowych o określonym składzie chemicznym,

określenie charakterystycznych właściwości fizykochemicznych przygotowanych
układów,

zbadanie profili uwalniania substancji aktywnej,

powiązanie parametrów fizykochemicznych badanych układów z szybkością
uwalniania leków.
Wytworzone materiały hybrydowe zostaną poddane badaniom fizykochemicznym.
Kluczową techniką jest Odwrócona Chromatografia Gazowa, która pozwala na obliczenie
parametrów wpływających na szybkość uwalniania substancji aktywnej zainkorporowanej
w matrycy. Kompleksowa charakterystyka fizykochemiczna materiałów hybrydowych
pomoże w znalezieniu korelacji między przedłużonym uwalnianiem a wyznaczanymi
parametrami. Dzięki takiej charakterystyce przewiduje się lepsze zrozumienie zależności
pomiędzy składem, a właściwościami otrzymanych materiałów hybrydowych.
54
CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
8. Charakterystyka surowców wyjściowych
W pracy badano zdolność materiałów hybrydowych do działania jako nośnik
substancji aktywnych. Jako modelową substancję aktywną zastosowano ibuprofen niesteroidowy lek przeciwzapalny, przeciwgorączkowy i przeciwbólowy. Dobór
materiałów do tworzenia nośnika był uwarunkowany jego późniejszym zastosowaniem.
Badania prowadzono pod kątem ich wykorzystania do postaci doustnych lub do ubytków
kostnych. Przy wyborze substancji pomocniczych kierowano się również tym, że powinny
się one znajdować na liście substancji pomocniczych. Taką listę można znaleźć
w Handbook of Pharmaceutical Excipients [138], która zawiera zestawienie informacji
dotyczących właściwości i zastosowania substancji pomocniczych.
8.1. Ibuprofen
Ibuprofen (C13H18O2) czyli kwas (RS)-2-[4-(2metylopropylo)fenylo] propionowy
lub kwas 2-(p-izobutylofenylo) propionowy jest organicznym związkiem, który należy do
niesteroidowych leków przeciwzapalnych, przeciwbólowych i przeciwgorączkowych
(NLPZ). Występuje w postaci białego lub prawie białego, krystalicznego proszku lub w
postaci bezbarwnych kryształów. Jego masa molowa to 206,28 g/mol, topi się w
temperaturze 75-78oC; jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie (21 mg/l), natomiast
dobrze rozpuszcza się w acetonie, metanolu, chlorku metylenu, wodorotlenkach
i węglanach metali alkalicznych [203].
Niewielki rozmiar cząsteczki ibuprofenu (Rysunek 13) sprawia, że możliwe jest jej
wniknięcie do mikroporów. Wiąże się z białkami osocza w 90%, a wydalany jest
z moczem w postaci dwóch nieczynnych metabolitów. Dodatkowo hamuje agregację
płytek krwi.
Rysunek 13. Cząsteczka ibuprofenu: a) wzór strukturalny, b) rozmiar cząsteczki
55
W przemyśle farmaceutycznym ibuprofen występuje w różnych produktach
handlowych m.in.: Ibuprom, Ibumax, Ibum, Ibufen, MIG, Nurofen, Brufen, Bolinet lub w
produktach złożonych takich jak: Ibuprom Zatoki, Modafen, Nurofen Plus.
W pracy użyto ibuprofenu (mieszaniny racemicznej), który został otrzymany od
firmy Polpharma.
8.2. Aerosil
Aerosil to dwutlenek krzemu, tzw. krzemionka pirogeniczna. Amorficzny
dwutlenek krzemu powstał poprzez spalanie czterochlorku krzemu w piecach
wodorowych. Proces produkcji zachodzi według reakcji:
SiCl4 + 2H2 + O2
SiO2 + HCl
Proces ten został opracowany ponad pięćdziesiąt lat temu, przez firmę Degussa
Corp., Piscataway, NJ. Aerosil występuje w postaci białego puszystego proszku, o bardzo
drobnej strukturze, składających się z cząsteczek pierwotnych o kształcie sferycznym. Ma
niską gęstość nasypową, a dużą powierzchnię właściwą. Krzemionkę pirogeniczną stosuje
się jako środek uzupełniający, stabilizator, substancję żelotwórczą, środek do produktów
przeciwstarzeniowych. Jest doskonałym środkiem zagęszczającym, tiksotropowym
i antysedymentacyjnym [204,205].
Aerosil jest nazwą handlową krzemionki, w badaniach zastosowano Aerosil®816
i Aerosil®200V firmy Evonik Industries (dawna firma Degussa). Krzemionki
charakteryzują się powierzchnią właściwą rzędu 200 ± 20 m2/g, o średniej wielkości
cząsteczek 12 nm. Aerosil®816 zawiera śladowe ilości węgla (0,9-1,8%), dlatego jest
krzemionką lekko hydrofobową, a Aerosil®200V jest krzemionką hydrofilową [204].
W tabeli 2 przedstawiono dokładne dane fizykochemiczne Aerosilu®200 i Aerosilu®816,
natomiast na rysunku 14 pokazano ich struktury.
Rysunek 14. Hydrofilowa i hydrofobowa struktura Aerosilu [204]
56
Tabela 2. Dane fizykochemiczne Aerosilu®200 i Aerosilu®816 [204]
Parametr
Powierzchnia
właściwa BET
DIN 66131
Średnia wielkość
cząstek TEM
Gęstość pozorna
DIN ISO 787/XI
Strata po suszeniu
(2 godz. w 105C)
DIN ISO 787/II
Strata po prażeniu
(2 godz. w 1000C)
DIN ISO 55921
pH
DIN ISO 787/IX
SiO2
Zawartość węgla
j.m.
m2/g
Aerosil®200V
20025
Aerosil®R816
19020
nm
12
12
g/l
120
60
%
1,5
1
%
1
2,0 – 4,0
3,7 - 4,7
4,0 – 5,5
 99,8
-
 99,8
0,9-1,8
%
%
8.3. Glikol polietylenowy
Polietylenoglikole należą do grupy makrogoli czyli polimerów tlenku etylenu. Ich
właściwości fizykochemiczne i działanie zależą od masy cząsteczkowej. Znajdują
zastosowanie m.in. jako środki pomocnicze do produkcji leków, rozpuszczalniki czy
substancje wiążące [206].
Do badań użyto glikolu polietylenowego PEG 10000 firmy Sigma Aldrich,
występującego w postaci ciała stałego, o białej barwie. Jest rozpuszczalny w wodzie
i rozpuszczalnikach organicznych takich jak: etanol, aceton, chloroform, toluen,
dichlorometan. Jego temperatura mięknięcia to 65oC, jest biodegradowalny i wysoce
biokompatybilny.
HO
CH2CH2O
H
n
Rysunek 15. Wzór strukturalny glikolu polietylenowego
8.4. Polilaktyd
Polilaktyd czyli poli(kwas mlekowy) należy do grupy poliestrów alifatycznych, jest
otrzymywany z odnawialnych surowców naturalnych np. z mączki kukurydzianej.
Powstaje w wyniku polimeryzacji z otwarciem pierścienia laktydu i w zależności od
użytych katalizatorów, uzyskuje się izotaktyczny lub ataktyczny polilaktyd. Jeśli do
57
syntezy zastosuje się laktyd ze źródeł naturalnych to możliwe jest otrzymanie tylko poli-Llaktydu
(izotaktycznego
z
merami
o
konfiguracji
"L")
oraz
poli-DL-laktydu
(ataktycznego). Poli-L-laktyd jest w 35% krystaliczny i wykazuje właściwości
mechaniczne
sztywnego
tworzywa
termoplastycznego,
ponadto
ma
długi
czas
biodegradacji (do 3 lat). Poli-DL-laktyd ma właściwości mechaniczne podobne do
kauczuku i krótszy czas biodegradacji [136].
Polilaktyd jest materiałem szklistym i występuje głównie jako białe lub żółte pastylki,
płatki lub granulki. Jest rozpuszczalny w dichlorometanie, tetrahydrofuranie, chloroformie,
octanie etylu i acetonie, natomiast nierozpuszczalny w wodzie; jego temperatura
mięknięcia to 173oC. W badaniach zastosowano poli(L-laktyd) firmy Sigma Aldrich, o
masie cząsteczkowej Mw~260,000 zakończonych grupami estrowymi; gęstości 2,0 g/cm3.
=
O
CH
CH3
C
O
n
Rysunek 16. Wzór strukturalny polilaktydu
8.5. Pluronik
Pluroniki inaczej poloksamery, glikole polioksyetylenowo polioksypropylenowe
(PEO-PPO) należą do amfifilowych polimerów termowrażliwych. Te niejonowe
wielocząsteczkowe związki posiadają strukturę blokowych kopolimerów PEO-PPO, które
są stosowane w technologii postaci leków, jako środki zwilżające, dyspergujące,
zagęszczające i emulgatory. Molekularne rozproszenie pluroniku występuje poniżej
krytycznego stężenia micelarnego (CMC). Powyżej CMC samorzutnie tworzą się kuliste
micele o średnicy ok. 20-80 nm. Posiadają one hydrofobowy rdzeń z bloków
propylenowych i hydrofilową koronę powstałą z bloków etylenowych, dzięki czemu
w jego granicach kształtują się przestrzenie dla zamykania lipofilowych substancji
aktywnych [207]. Poloksamerowe micele można więc zastosować jako nośniki substancji
słabo rozpuszczalnych, o niepożądanej farmakokinetyce.
Poloksamery występują jako białe lub szare, woskowate, sypkie granulki lub proszki. Są
praktycznie bezwonne i bez smaku. W badaniach użyto Pluronic®F127 firmy Sigma
Aldrich.
58
CH3
HO
CH2CH2O
CH2CH2O
CHCH2O
x
H
z
y
Rysunek 17. Wzór strukturalny pluroniku
8.6. Eudragit
Eudragit
należy
do
grupy
polimetakrylanów,
jest
szeroko
stosowany
w farmaceutyce, szczególnie w formulacjach o przedłużonym uwalnianiu substancji
aktywnej [191]. Eudragit RS PO otrzymano od firmy Evonic Industries. Ten typ eudragitu
jest kopolimerem akrylanu etylu, metakrylanu metylu i niskiej zawartości estru kwasu
metakrylowego z czwartorzędowymi grupami amoniowymi o stosunku molowym 1:2:0,1.
Grupy amoniowe są obecne w postaci soli. Eudragit jest substancją stałą występującą
w postaci białego proszku, o słabym zapachu amin [208]. Jest nierozpuszczalny w wodzie,
z kolei rozpuszcza się w acetonie, etanolu, metanolu, propanolu, dichlorometanie i octanie
etylu. Jego masa molowa wynosi Mw~32,000, gęstość 0,816-0,836 g/cm3.
CH3
H2C
C
CH3
CH2
C
CH2
C
C=O
C= O
C= O
O
OCH3
C2H5
CH2
H2C
N+
CH3
CH3
CH3
n
Rysunek 18. Wzór strukturalny eudragidu
8.7. Hydroksyapatyt i ortofosforan (V) wapnia
Hydroksyapatyt (HA) to minerał zbudowany z hydroksyfosforanu wapnia
(sześcioortofosforanu (V) dwuwodorotlenku dziesięciowapnia) o wzorze chemicznym
Ca10(PO4)6(OH)2. Stanowi mineralne rusztowanie tkanki łącznej, które odpowiada za
mechaniczną wytrzymałość kości. Rozróżnia się hydroksyapatyt mineralogiczny,
biologiczny i syntetyczny. Hydroksyapatyt syntetyczny jest ortofosforanem wapnia
o stosunku molowym Ca/P równym 1,667, który zawiera grupy wodorotlenowe (OH -). W
przeliczeniu na tlenki skład chemiczny hydroksyapatytu przedstawia się następująco: CaO
59
- 55,8% mas., P2O5 - 42,4% mas., H2O - 1,8% mas. Struktura hydroksyapatytu
charakteryzuje się zdolnością do podstawień izomorficznych, zarówno w podsieci
kationowej jak i anionowej, która ma wpływ na stechiometrię, krystaliczność oraz
stabilność chemiczną, termiczną i biologiczną. Hydroksyapatyt jest praktycznie
nierozpuszczalny w wodzie, a jego roztwór wykazuje odczyn słabo alkaliczny o pH≈8.
Gęstość rentgenograficzna wynosi 3,156 g/cm3, a po obróbce cieplnej osiąga wartość 3,12
g/cm3, jest to wynik utraty 2/3 ilości wody wchodzącej w skład jego struktury.
Hydroksyapatyt jest dielektrykiem, przez co wykonane z niego implanty nie nagrzewają
się i nie zaburzają w organizmie transportu sygnałów elektrycznych [150,209].
TCP czyli ortofosforan (V) wapnia Ca3(PO4)2 ma szerokie zastosowanie
w medycynie i stomatologii. Jego skład tlenkowy wynosi: CaO -54,3% mas., P2O5 - 47,7%
mas., a stosunek molowy Ca/P wynosi 1,5, czyli niższy niż dla hydroksyapatytu.
Charakteryzuje się białą barwą i występuje w dwóch odmianach polimorficznych:
wysokotemperaturowej α i niskotemperaturowej β. Odmiany te różnią się gęstością: dla
α-TCP wynosi 2,86 g/cm3, β-TCP 3,07 g/cm3. W porównaniu do hydroksyapatytu
wykazuje większą rozpuszczalność. W środowisku płynów ustrojowych powierzchnia
ceramiki β-TCP zostaje pokryta stabilną warstwą hydroksyapatytową. Materiały
ceramiczne zarówno z HA jak i β-TCP mają podobny zakres zastosowań, są wysoce
biozgodne i bioaktywne, przez co z powodzeniem stosowane są w substytucji kości,
w miejscach niezbyt obciążonych mechanicznie [150].
W badaniach wykorzystano hydroksyapatyt firmy Sigma Aldrich o wielkości
cząsteczek <200nm i powierzchni właściwej ~10 m2/g oraz trójfosforanu wapnia βTCP
(Sigma Aldrich). Poniżej przedstawiono tabelę zawierającą akronimy nazw opisanych
wyżej materiałów. Te oznaczenia będą stosowane w dalszej części pracy.
Tabela 3. Akronimy badanych materiałów
Nazwa
Aerosil®R816
Aerosil®200
Eudragit RSPO
Glikol polietylenowy
Hydroksyapatyt
Ibuprofen
Polilaktyd
Pluronic®127
Ortofosforan (V) wapnia
Akronim
AR816
AR200
EUD
PEG
HA
IB
PLA
PLU
TCP
60
9. Odczynniki
Do przeprowadzenia badań fizykochemicznych, niezbędne było zastosowanie
różnych odczynników chemicznych przedstawionych w tabeli 4:
Tabela 4. Charakterystyka odczynników chemicznych
Nazwa
Wzór
Czystość
Firma
Heksan
Heptan
Oktan
Nonan
Dekan
Chloroform
Dichlorometan
Acetonitryl
Etanol
1,4-dioksan
Aceton
Octan etylu
Wodorotlenek sodu
Diwodorofosforan
potasu
Bromek potasu
Chlorek sodu
Polihydroksymaślan
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
CHCl3
CH2Cl2
CH3CN
C2H6OH
C4H8O
C3H6O
CH3COOC2H5
NaOH
KH2PO4
≥97%
cz.d.a.
≥99%
≥95%
≥99%
cz.d.a.
cz.d.a.
cz.d.a.
99,8%
99,8%
cz.d.a.
HPLC
cz.d.a.
cz.d.a.
Sigma-Aldrich
POCH S.A.
Fluka
Fluka
Sigma-Aldrich
POCH S.A.
POCH S.A.
POCH S.A.
POCH S.A.
Sigma-Aldrich
POCH S.A.
POCH S.A.
Chempur
Chempur
Numer
katalogowy
35859-1
470470117
74822
74253
457116
234431116
628410114
102640111
396480427
296309
102480111
405031150
WE 2151855
WE 2319134
KBr
NaCl
PHB
spektr.cz.
cz.d.a.
cz.d.a.
Merck
Sigma Aldrich
Sigma Aldrich
B0398707
95621
363502
10. Sposoby otrzymywania materiałów hybrydowych
10.1. Materiały hybrydowe - nośniki stosowane do postaci doustnych
Materiały hybrydowe tworzono w dwóch etapach. Pierwszym etapem było
inkorporowanie ibuprofenu w krzemionce - w tym celu ibuprofen został rozpuszczony
w etanolu (20 mg/ml) i zmieszany z materiałem nieorganicznym w stosunku wagowym
1:1, 1:5 lub 1:10, po czym rozpuszczalnik został odparowany za pomocą rotacyjnej
wyparki próżniowej Rotavapor R-205, Büchi. W celu sprawdzenia wydajności procesu,
zbadano ilość ibuprofenu w pozostałym etanolu za pomocą spektrofotometru Jasco V630.
Etap inkorporowania był prowadzony przez trzy dni w temperaturze pokojowej,
przy ciągłym mieszaniu (250 obr./min.), w szczelnie zamkniętej kolbie, aby zapobiec
odparowaniu rozpuszczalnika. W następnej kolejności, produkt z pierwszego etapu był
mieszany przez 30 minut z polimerowym roztworem w etanolu (PEG, PLU) (15 mg/ml),
bądź w chloroformie (PLA, EUD). Następnie rozpuszczalnik został ponownie odparowany
61
na rotacyjnej wyparce próżniowej. Proporcje wagowe materiałów użytych do badań
w poszczególnych układach przedstawiono w Tabeli 5.
Tabela 5. Proporcje wagowe materiałów w poszczególnych układach
Materiały
AR816 + IB
AR200 + IB
AR200 + IB + PEG
AR200 + IB + PLU
AR200 + IB + PLA
AR200 + IB + EUD
AR816+ IB + PEG
AR816+ IB + PLU
AR816+ IB + PLA
AR816+ IB + EUD
Proporcje w/w
1:1, 5:1
1:1, 5:1, 10:1
10:1:10, 10:1:5, 10:1:2, 5:1:5
10:1:10, 10:1:5, 10:1:2, 5:1:5
5:1:5
5:1:5
1:1:1, 5:1:1, 5:1:5
1:1:1, 5:1:1, 5:1:5
1:1:1, 5:1:1, 5:1:5
1:1:1, 5:1:1, 5:1:5
10.2. Materiały hybrydowe - nośniki stosowane do ubytków kostnych
Materiałem wyjściowym do otrzymania nośnika, o potencjalnym zastosowaniu w
ubytkach kostnych, był hydroksyapatyt oraz ortofosforan (V) wapnia. Ostateczną formą
nośnika był scaffold (rusztowanie). Proces przygotowania scaffoldów składał się z kilku
etapów. Materiał ceramiczny mieszano ze środkiem porotwórczym (NaCl o wielkości
cząstek od 200 do 400 mikrometrów) oraz materiałem polimerowym (PHB, Tg=172 oC) za
pomocą mieszadła magnetycznego (z prędkością obrotów 300 rpm). Stosunek wagowy
NaCl do sumarycznej ilości PHB i HA był regulowany tak, aby otrzymać odpowiednią
porowatość scaffoldu: 50 i 80% (wynosił 1:1 lub 4:1). Wymieszane materiały proszkowe
zostały poddane procesowi wygrzewania w piecu w temperaturze 180oC, po czym
następowało formowanie scaffoldu poprzez prasowanie jednoosiowe w pastylkarce ze stali
nierdzewnej (5 MPa, 5 min.). Kolejnym etapem było zanurzenie scaffoldu w wodzie
dejonizowanej w celu wymycia całego NaCl i otrzymania próbki o odpowiedniej
porowatości. W trakcie tego etapu woda wymieniana była kilkakrotnie. Gotowy scaffold
suszono w temp. 50oC przez ok. 48 godzin do otrzymania stałej masy. Porowatość
scaffoldu wyznaczono metodą piknometryczną stosując etanol jako medium. Poniżej
przedstawiono schemat tworzenia scaffoldu z hydroksyapatytu o porowatości 80%
(Rysunek 19).
62
Rysunek 19. Schemat tworzenia scaffoldu
Każdy z przygotowanych scaffoldów zawierał ok. 180 ± 15 mg ibuprofenu.
Ibuprofen był wprowadzony do porów scaffoldu stopniowo - jedna porcja ibuprofenu
wynosiła 30 mg i była rozpuszczana w 2 ml acetonu. W takim roztworze umieszczono
scaffold, który szybko wchłaniał roztwór ibuprofenu. Następnie scaffold suszono w 50oC,
aby odparować rozpuszczalnik. Procesy te powtarzano, aż scaffold osiągnął określoną ilość
Po impregnacji ibuprofenem, scaffold z hydroksyapatytu niemodyfikowanego
pokrywano polimerem. Scaffold umieszczano w acetonowym roztworze polimeru
o stężeniu 20 mg/ml, po czym rozpuszczalnik odparowano w 50 oC. Natomiast scaffoldy
wykonane z pozostałych materiałów (tabela 6), które są wynikiem chemicznej modyfikacji
powierzchni, były impregnowane wyłącznie ibuprofenem. Materiały w tabeli 6 otrzymano
z Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej na Politechnice Poznańskiej. W badaniach
wykorzystano więc dwie serie scaffoldów: a) nośnik nieorganiczny impregnowany
ibuprofenem pokryty warstwą polimeru, b) nośnik nieorganiczny modyfikowany
polimerem impregnowany ibuprofenem.
Tabela 6. Materiały wykorzystane do tworzenia scaffoldów
Materiał
Hydroksyapatyt + Glikol polietylenowy
Hydroksyapatyt + Polilaktyd
Hydroksyapatyt + Polihydroksymaślan
Hydroksyapatyt + Kwas mlekowy
β-fosforan trójwapniowy + Kwas mlekowy
Hydroksyapatyt +β-fosforan wapniowy + Glikol
polietylenowy
Skrót
HA+PEG
HA+PLA
HA+PHB
HA+LLA
TCP+LLA
HA+TCP+PEG
63
11. Opis metod pomiarowych
11.1. Odwrócona chromatografia gazowa
 Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań
Do badań użyto chromatografu gazowego iGC SMS Ltd. (ang. Inverse Gas
Chromatograph Surface Measurement Systems) z oprogramowaniem IGC Controller oraz
chromatografu iGC SEA (ang. Inverse Gas Chromatograph Surface Energy Analyzer)
wyposażony w oprogramowanie Cirrus Plus.
Oba zestawy chromatograficzne składają się z: butli z gazem nośnym, kontrolera
przepływu gazu nośnego, pojemników na związki testowe, pętli dozującej, kolumny,
termostatu, detektora płomieniowo-jonizacyjnego FID (ang. Flame Ionisation Detector),
wzmacniacza sygnału detektora oraz komputera.
Badane materiały były umieszczane w kolumnie wykonanej ze szkła, mierzącej
30 cm długości, mającej średnicę wewnętrzną 3 mm i zewnętrzną 5 mm. Materiały te
miały formę proszkową, dlatego były nanoszone na inertne szklane kulki (100-120 mesh),
aby umożliwić swobodny przepływ gazu nośnego. W kolumnie umieszczono 10%
badanego materiału w stosunku do masy szklanych kulek. Badania prowadzono w
następujących warunkach:
 przepływ gazu nośnego (hel) 15 ml/min,
 temperatura dozownika 150oC,
 temperatura detektora 180oC,
 temperatura kolumny 37oC,
 zastosowane związki testowe:

związki niepolarne: heksan, heptan, oktan, nonan, dekan, undekan,

związki polarne: aceton, acetonitryl, chloroform, dichlorometan, 1,4dioksan, etanol, octan etylu, 1-propanol.
Pomiary były prowadzone w nieskończonym rozcieńczeniu, co oznacza, że ilość
nastrzykiwanego związku testowego była taka, aby w warstwie sorpcyjnej jej stężenie
dążyło do zera. Przed wykonaniem pomiarów kolumna była kondycjonowana przez całą
noc w 37oC.
Obliczenia
 Wyznaczanie energii powierzchniowej
Badane materiały i związki testowe wykazują zdolność do różnych typów
oddziaływań międzycząsteczkowych, zarówno specyficznych jak i dyspersyjnych
64
[210,211]. Swobodna energia powierzchniowa wyrażona jest w mJ/m2 i składa się z dwóch
składowych, dyspersyjnej  SD oraz specyficznej  SSP :
 S   SD   SSP
(7)
Wielkość oddziaływań dyspersyjnych można wyznaczyć, wykorzystując jako
związki testowe niepolarne alkany. Najczęściej stosowanymi procedurami wyznaczania
składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej  SD metodą odwróconej
chromatografii gazowej są procedury Dorrisa-Graya i Schultza-Lavielle’a.
Na podstawie średnich wartości czasów retencji otrzymanych dla poszczególnych
alkanów oblicza się absolutną objętość retencji V N [ml]:
VN  j  F0  (t R  t M )
(8)
w którym:
t R - czas retencji n-tego składnika [min],
t M - czas martwy [min],
F0 - skorygowane objętościowe natężenie przepływu [ml/min],
j - współczynnik korekcyjny Jamesa-Martina:


3  
j  
2 

 

2

pin 
  1
p out 

3

pin 
  1

p out 

(9)
pin - ciśnienie bezwzględne na wlocie do kolumny chromatograficznej; jest ono równe
sumie ciśnienia otoczenia oraz ciśnienia odczytanego z chromatografu;
pout - ciśnienie bezwzględne na wylocie z kolumny chromatograficznej; jest ono równe
ciśnieniu otoczenia.
Do określenia składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej
wykorzystuje się energię adsorpcji wyrażonej równaniem:
G 0   R  T  ln VN  C
(10)
w którym: R - stała gazowa 8,314 [J/mol·K], T - temperatura [K], C- stała zależąca od
wybranego stanu odniesienia. Wartość R  T  ln VN n-alkanów zmienia się liniowo z liczbą
atomów węgla, czyli rośnie ze wzrostem łańcucha alkilowego.
65
Energia adsorpcji jest również sumą energii adsorpcji odpowiadających
oddziaływaniom dyspersyjnym i specyficznym:
G 0  G d  G sp
(11)
Energia adsorpcji jest skutkiem oddziaływań dyspersyjnych ( G sp  0
i
G 0  G d ), Dorris i Gray wyprowadzili wzór na swobodną energię grupy metylenowej,
( G CH2 )[J/mol] opisanej równaniem [212]:
G CH2   R  T  ln(VN 1 VN )
(12)
lub
1
G CH2  2  N  a  ( SD   CH2 ) 2
(13)
w którym: V N i V N 1 oznaczają absolutne objętości retencji kolejnych n-alkanów [ml], N liczbę Avogadro 6,022*1023 [mol-1], a - powierzchnię pokrytą przez jedną grupę
metylenową [m2],  CH2 - swobodną energię powierzchniową polietylenu [mJ/m2], której
wartość zależna jest od temperatury i wyznaczana jest z równania:
 CH  35,6  0,058(293  T )
(14)
2
Wartość składowej dyspersyjnej można wyznaczyć przekształcając równanie (13):
 SD  (G CH ) 2 / 4  N 2  a 2   CH
(15)
2
2
Po podstawieniu G CH2 ze wzoru (12) do powyższego wzoru (15) otrzymuje się:
 SD   R 2  T 2 ln(VN 1 / VN ) 2 / 4  N 2  a 2   CH
2
(16)
Równanie (16) przedstawia składową dyspersyjną swobodnej energii powierzchniowej  SD
[mJ/m2] wyznaczonej metodą Dorrisa-Gray‘a [213].
W metodzie Schultza-Lavielle‘a składowa dyspersyjna swobodnej energii
powierzchniowej  SD wyznaczana jest ze wzoru [214]:
R  T  ln VN  2  N  a   SD   LD  C
(17)
Jest to równanie linii prostej, gdzie:
R  T  ln VN  y
a  γ LD  x
2  N  γ SD  a
C b.
Parametr  SD został wyznaczony z regresji liniowej, z nachylenia prostej (17). Graficznie
przedstawia to poniższy wykres (Rysunek 20):
66
a   LD
Rysunek 20. Graficzna interpretacja wyznaczania parametru  SD metodą Schultza–
Lavielle‘a
Wartości parametrów a oraz  LD dla poszczególnych związków testowych,
potrzebne do obliczenia parametru  SD zaczerpnięto z bazy danych oprogramowania
sprzętu iGC SMS Ltd. (Tabela 7).
Tabela 7. Wartości parametrów a oraz  LD użyte do obliczenia parametru  SD wg metody
Związek testowy
Schultza-Lavielle'a
a [m2]
 LD [J/m2]
heksan
heptan
oktan
nonan
acetonitryl
1,4-dioksan
chloroform
octan etylu
etanol
5,15·10-19
5,73·10-19
6,30·10-19
6,90·10-19
2,14·10-19
3,14·10-19
4,40·10-19
4,80·10-19
3,53·10-19
0,0184
0,0203
0,0213
0,0227
0,0275
0,0332
0,0250
0,0205
0,0211
 Charakterystyka kwasowo-zasadowa powierzchni
Gutmann wyznaczył donorową DN i akceptorową AN liczbę dla polarnych
związków testowych. Jako wzorcową zasadę (donor elektronów) użył tlenek trietylofosfiny
(TPO). Gdy atom tlenu TPO oddziałuje z akceptorem elektronów, gęstość elektronowa na
atomie fosforu spada, co wiąże się ze spadkiem wartości przesunięcia chemicznego δ
67
sygnału dla fosforu. Ekstrapolowano wartości δ do nieskończonego rozcieńczenia i użyto
heksanu jako referencyjnego rozpuszczalnika, któremu przypisano wartość AN równą 0.
Wartość δ została skorygowana na zmianę objętości pomiędzy heksanem i danym
rozpuszczalnikiem. Natomiast jako wzorcowy kwas Lewisa Gutman użył pięciochlorku
antymonu, SbCl5 w 1,2-dichloroetanie przypisując jego oddziaływaniom z TPO wartość
AN = 100. Wartości AN dla innych rozpuszczalników wyznacza się z równania [215]:
AN 
 corr  100
 corr(TPO .SbCl )
 2,348   corr
(18)
5
Wartość AN została skorygowana o efekt dyspersyjny ANd, biorąc pod uwagę entalpię
tworzenia pary TPO-kwas:
AN   H ( ATPO )  0,288  ( AN  AN d )
(19)
w którym: ANd - to udział sił dyspersyjnych w wartości liczby akceptorowej, który może
być obliczony z pomiaru napięcia powierzchniowego; stała 0,288 wyraża ciepło
oddziaływań kwas-zasada pomiędzy SbCl5 i TPO oraz przesunięcia widma dla w/w układu
względem przesunięcia dla TPO w heksanie.
Wartość DN związana jest z donorowymi właściwościami związków. Wyrażana
jest jako molowa entalpia reakcji związku elektronodonorowego z silnym akceptorem
elektronów SbCl5 jako odnośnikiem. Wartość DN, jak również AN* jest wyrażana w J/mol.
Parametry AN* i DN są powiązane z entalpią oddziaływań specyficznych ΔHsp oraz
parametrami KA i KD, które określają odpowiednio kwasowość i zasadowość powierzchni
ciała stałego [215,216]:
ΔH sp  K A  DN  K D  AN 
(20)
Wartości parametrów AN* oraz DN potrzebne do obliczenia KA i KD przedstawiono
w Tabeli 8, które zaczerpnięto z publikacji Belgacema [211].
Tabela 8. Wartości parametrów AN* i DN przyjęte do obliczania KA i KD
Związek testowy
1,4-dioksan
acetonitryl
Octan etylu
chloroform
etanol
AN* [kJ/mol]
0,00001
19,6648
6,28019
22,5936
43,1240
DN [kJ/mol]
61,9232
58,9944
71,5942
0,04184
83,7360
68
Po podzieleniu równania (20) przez AN* otrzymuje się równanie linii prostej:
ΔH sp
AN


DN
 K A  KD
AN 
(21)
w którym: KA oblicza się z wartości współczynnika kierunkowego linii prostej. Aby
wyznaczyć KD dzieli się równanie (20) przez DN i otrzymuje zależność:
ΔH sp
DN

AN 
DN
 KD  KA1
(22)
Kwasowość i zasadowość powierzchni ciał stałych jest często charakteryzowana przez
stosunek parametrów KA i KD:
SC 
KD
KA
(23)
Jeśli wartość K D / K A jest większa od jeden to wskazuje na zasadowy charakter
powierzchni, natomiast jeśli jest mniejsza od jeden - charakter kwasowy.
 Wyznaczenie pracy adhezji
Wielkość adhezji może być wyrażona przez wartość pracy adhezji Wa :
Wa  WaD  WaS
(24)
w którym: WaD to składowa dyspersyjna pracy adhezji [mJ/m2], WaS jest składową pracy
adhezji związaną z kwasowo-zasadowymi oddziaływaniami [mJ/m2] [217].
Podzielenie na składowe dyspersyjne i kwasowo-zasadowe pracy adhezji jest również
stosowane do energii powierzchniowej zgodnie z równaniem (7).
Pracę adhezji związaną z oddziaływaniami dyspersyjnymi można wyrazić
równaniem :
WaD  2  iD   Dj
(25)
w którym:  iD ,  Dj to składowe dyspersyjne swobodnej energii powierzchniowej dla
badanych związków i, j [mJ/m2].
Z kolei praca adhezji powiązana z oddziaływaniami kwasowo-zasadowymi jest opisana
zależnością:
WaS  2  i   j  2  i   j
(26)
69
W powyższym równaniu  i, j opisuje kwasowy charakter powierzchni badanego materiału
i lub j, działa jak akceptor elektronów. Natomiast  i, j charakteryzuje zasadowy charakter
powierzchni - donor elektronów [218].
Do określenia składowych specyficznych powierzchni badanych materiałów  S ,  S
potrzebne są dane retencyjne dla polarnych i niepolarnych związków testowych. Parametry
te zostały oszacowane przez Good-van Ossa, zgodnie z równaniem [219]:
G sp  2 N  a  (  l  S   l  S )
(27)
W równaniu (21)  l ,  l to odpowiednio kwasowy i zasadowy składnik swobodnej energii
powierzchniowej dla związku testowego. Aby wyznaczyć składową specyficzną
swobodnej energii powierzchniowej badanego materiału  S ,  S , użyto jako związków
testowych dichlorometanu (DM) i octanu etylu (EA). DM jest akceptorem elektronów i

jego  DM
jest równa 0 [mJ/m2], a równanie (27) przyjmuje postać:
 S 
sp
GDM
2

4 N 2  a DM
  DM
(28)

Natomiast EA został użyty jako donor elektronów, o  EA
równej 0 [mJ/m2], dzięki czemu
parametr  S można przedstawić równaniem:
 S 
sp
GEA
2

4 N 2  a EA
  EA
(29)
 Wyznaczenie oddziaływań związek testowy - badany materiał oraz oddziaływań pomiędzy
składnikami badanego materiału
Odwrócona chromatografia gazowa umożliwia oszacowanie wielkości oddziaływań
pomiędzy związkiem testowym a badanym materiałem, a także pomiędzy składnikami
mieszaniny. Oddziaływania pomiędzy badanym materiałem, a związkiem testowym

określa parametr Flory-Hugginsa  12 [220] i obliczany jest ze wzoru:


12
 273,15R  p0
1  V1o
o


 ln

B  V  ln
 1  o
 p  V  M  RT 11 1

2
1 
 V2
 0 g





(30)
w którym:
70
„1‖, „2‖ - odniesienie odpowiednio do związku testowego i do badanej fazy stacjonarnej,
B11 - drugi współczynnik wirialny [m3/mol],
 i - gęstość w temperaturze T [g/m3],
Vi - objętość molowa [m3/mol],
M 1 - masa molowa [g/mol],
p 0 - prężność pary nasyconej w temperaturze pomiaru [Pa],
R - stała gazowa [J/molK],
V g - właściwa objętość retencji [m3/g]:
Vg 
V N  273,15
T  mz
(31)
w którym m z masa w fazy stacjonarnej w kolumnie [g].
Wielu autorów korzysta z wersji uproszczonej równania [221]:
 273,15R  P1o

B V o 1
 P o  V o  M  RT 11 1
g
1 
 1

12  ln 

(32)




(33)
w którym:

 Tc
B11  Vc1  0,25  1,5   1

T
Vc1 – molowa objętość krytyczna związku testowego [m3/mol],
Tc1 – temperatura krytyczna związku testowego [K].
W równaniu (32) objętość molową związku testowego w temperaturze pomiaru V1o
[m3/mol], obliczono korzystając z wartości gęstości związku testowego w temperaturze
pomiaru, d1o . Wartość d1o obliczono korzystając z bazy programu ChemCad III. według
wzoru:
d1o 
A
 T
1  1 
 C
D
(34)
B
Wartości współczynników A, B, C, D z powyższego równania przedstawiono w
Tabeli 9. Drugi współczynnik wirialny obliczony wg wzoru (33), zawierający wartości
temperatury krytycznej oraz objętości krytycznej związków testowych wzięto z poradnika
fizykochemicznego (Tabela 9).
71
Tabela 9. Wartości temperatury krytycznej Tc, objętości krytycznej Vc związków

testowych użytych do obliczenia parametru  12
oraz wartości parametrów A, B, C, D
wykorzystanych do obliczenia gęstości związków testowych w temperaturze pomiaru
Związek
testowy
Tc [K]
Vc [m3/mol]
A
B
C
D
Heksan
507,70
0,370·10-3
0,7147
0,265
507,43
0,2781
Heptan
Oktan
540,30
568,90
0,428·10-3
0,492·10-3
0,6034
0,5240
0,2602
0,25841
540,26
568,83
0,2791
0,27374
Nonan
Etanol
594,6
513,92
0,548·10-3
0,167·10-3
0,4780
1,6480
0,2596
0,27627
595,65
513,92
0,2841
0,2331
1,4-dioksan
Chloroform
587,00
536,4
0,238·10-3
0,239·10-3
1,1819
1,0841
0,2813
0,2581
587,00
536,40
0,3047
0,2741
Acetonitryl
Octan etylu
545,2
523,3
0,173·10-3
0,286·10-3
1,3088
0,8996
0,2264
0,2586
545,50
523,30
0,2813
0,2780
Wielkość oddziaływań występująca pomiędzy składnikami w układach złożonych
'
można oszacować na podstawie wartości parametru  23
. W celu wyznaczenia parametru
'
 23
, przygotowuje się trzy układy kolumn: dwie z badanymi materiałami i jedną z
mieszaniną tych materiałów. Układy takie powinny być badane w tych samych warunkach
temperatury, przepływu gazu nośnego i przy pomocy tych samych związków testowych.
Parametr ten można wyznaczyć z zależności [197,220,221]:
'
 23

1


 (  12
  2  13
  3   1m )
2 3
(35)


w którym:  12
i  13
to parametr oddziaływań Flory-Hugginsa dla układu związek testowy
– badany materiał, natomiast  m to parametr oddziaływań Flory-Hugginsa dla układu
związek testowy – mieszanina badanych materiałów,  2 ,  3 - ułamki objętościowe
składników mieszaniny.
'
Dodatnie wartości współczynnika  23
wskazują na brak lub bardzo małe
'
oddziaływanie składników mieszaniny. Wartości ujemne parametru  23
oznaczają silną
wielkość oddziaływań pomiędzy składnikami mieszaniny. Parametr ten jest zależny od
temperatury i powinien zależeć od niej liniowo.
72
11.2. Niskotemperaturowa adsorpcja azotu
 Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań
Aby
określić
właściwości
adsorpcyjne
badanych
nośników
ibuprofenu,
wyznaczono dla nich niskotemperaturowe izotermy adsorpcji azotu w warunkach
statycznych za pomocą objętościowego analizatora adsorpcyjnego ASAP 2020 firmy
Micromeritics Instruments Co. Pomiar adsorpcji służy do wyznaczania powierzchni
właściwej oraz pozwala na ocenę wielkości i objętości porów.
Jako adsorbat stosowany do wyznaczenia izoterm adsorpcji i desorpcji
wykorzystany był azot w temperaturze -196°C. Ze względu na proces adsorpcji, który
przebiega w mikroporach i na powierzchni porów, próbki należało odpowiednio
przygotować do pomiaru. Badane materiały były odgazowane w podwyższonej
temperaturze w komorze próżniowej. Dla materiałów krzemionkowych była to temperatura
150oC, natomiast dla materiałów z ibuprofenem i polimerami – poniżej ich temperatury
mięknięcia. Następnym etapem było wprowadzenie gazu oczyszczonego: N2, który
wypełnia kapilary materiału i ulega kondensacji. Cząstki gazu adsorbują się na
powierzchni większych porów, tworząc warstwę adsorpcyjną. Dalej tworzą się
poliwarstwy zaadsorbowanego gazu, aż do całkowitego zapełnienia mezoporów i
kondensacji w nich gazu.
 Obliczenia
Do określenia stanu równowagi adsorpcyjnej stosuje się najczęściej tzw. równanie
izoterm adsorpcji określające zależność zaadsorbowanej ilości gazu (na) do jego ciśnienia
względnego (p/p0). Pojemność adsorpcyjną monowarstwy n m [m2/g] obliczono z równania
Braunera-Emmetta-Tellera (BET) [222,223]:
p
p0
  p 
na 1   
  p 0 

1
C 1 p


nm C nm C p0
(36)
w którym:
p - ciśnienie równowagowe [mmHg],
p0 - ciśnienie pary nasyconej [mmHg].
Powyższa zależność powinna przedstawiać linię prostą y = ax + b, gdzie:
p
x
p0
p/p o
y
na ( 1  p/p o )
C 1
a
nm C
1
b
nm C
73
Mając dane wartości a i b, wyznaczane graficznie lub za pomocą regresji liniowej,
można było obliczyć pojemność monowarstwy n m [mol/g] i stałą C zależną od energii
adsorpcji i temperatury. Znając n m można wyznaczyć powierzchnię właściwą as [m2/g]
korzystając ze wzoru:
a s  nm  a m  N
(37)
Przyjmując, że pole przekroju poprzecznego cząsteczki azotu (tzw. powierzchnia siadania)
w temperaturze 77 K wynosi: am = 0,162 [nm2], to poprzednie równanie można zapisać w
postaci:
a s  9,76  10 4 nm
(38)
W celu wyznaczenia wielkości i objętości porów zastosowano metodę t-plot, która
opiera się na porównaniu graficznym eksperymentalnej izotermy adsorpcji na danym
adsorbencie, z teoretyczną izotermą adsorpcji, przy tych samych wartościach ciśnienia
adsorbatu.
11.3. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera oraz metoda
osłabionego całkowitego odbicia

Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań
W celu identyfikacji struktury związków oraz ugrupowań powierzchniowych
wykonano widma za pomocą spektrometru BRUCKER VERTEX 70, zaopatrzonego w
źródło promieniowania, komorę próbek, interferometr, detektor, wzmacniacz i rejestrator.
Badane materiały są ciałami stałymi, dlatego w celu zbadania ich przy pomocy
spektrometru, wykorzystano metodę pastylkowania. Polega ona na sproszkowaniu w
moździerzu mieszaniny suchego bromku potasu KBr (ok. 250 mg) oraz kilku miligramów
badanej substancji (1-2 mg). Tak przygotowaną mieszaninę prasuje się na pastylkę w
specjalnym stalowym pierścieniu (firmy Specas) pod ciśnieniem ok. 500 MPa, prasowaną
mieszaninę utrzymuje się pod próżnią w celu odpowietrzenia. Końcowym efektem jest
przezroczysta pastylka, którą umocowuje się wewnątrz uchwytu.
Po wykonaniu badania otrzymano widmo: zależność transmitancji od liczby
falowej (cm-1), które jest
rejestrowane komputerowo przy pomocy programu OPUS-
Operator. Analizę przeprowadzono w zakresie promieniowania w podczerwieni 4000-400
cm-1. Widma rejestrowane były w skali transmitancji ze zdolnością rozdzielczą 2 cm-1.
74
Aparat umożliwia również pomiary w technice osłabionego całkowitego odbicia,
wykorzystując jednoodbiciową przystawkę ATR z kryształem diamentowym. W tym
przypadku wiązka światła jest wprowadzana do przezroczystego dla podczerwieni
materiału, o dużym współczynniku załamania światła (diamentowy kryształ), padając na
jego wewnętrzną powierzchnię. Badana próbka przyciśnięta jest do zewnętrznej strony
powierzchni kryształu w miejscu odbicia. Promieniowanie ulega zjawisku całkowitego
wewnętrznego odbicia, nie wydostając się z ośrodka, w którym się poruszało. Jego energia
jest absorbowana przez próbkę znajdującą się po drugiej stronie. Następnie wiązka światła
wyprowadzana jest z ośrodka, dzięki czemu możliwe było zmierzenie jej intensywności
oraz pomiar widma w podczerwieni.
11.4. Spektroskopia Ramana

Pomiary były prowadzone za pomocą mikroskopu Renishaw inVia Raman
Microscope, wyposażonego w laser półprzewodnikowy emitujący wiązkę światła o
długości fali 785 nm. Wiązka lasera była ogniskowana przez obiektyw Leica 50x LWD z
aparaturą numeryczną NA=0,5, dzięki czemu otrzymano średnicę wiązki równej 2µm.
Próbki były badane w postaci proszku.
Metoda
polega
na
pomiarze
promieniowania
rozproszenia
Ramana
-
nieelastycznego rozproszenia fotonów. Pomiary pozwoliły na analizę składu i struktury
badanych związków.
Technika ta pozwala na wykonanie tzw. mapowania ramanowskiego, poprzez
obrazowanie rozkładu intensywności sygnałów ramanowskich w badanym przekroju. Jest
to metoda niedestrukcyjna i pozwala określić dystrybucję danych materiałów w układach
złożonych. Dzięki temu otrzymuje się dwuwymiarowe obrazy przedstawiające rozkład
pojedynczych składników w mieszaninach. W trakcie mapowania powierzchni materiału,
położenie obiektywu mikroskopu względem badanego materiału, kontrolowane było
piezoelektrycznie w trzech kierunkach (XYZ).
75
11.5. Skaningowa mikroskopia elektronowa

Morfologię powierzchni badanych materiałów badano za pomocą skaningowego
mikroskopu elektronowego Tescan Vega 5135, przy napięciu przyspieszającym 12 keV.
Materiały nieprzewodzące przed przystąpieniem do badań SEM wymagały napylenia
cienką warstwą złota. W metodzie tej badano strukturę materiałów w zakresie powiększeń
20 do 500000 razy. Wysokoenergetyczna wiązka elektronów została zogniskowana na
próbce, przemiatając (skanując) badaną powierzchnię. Skanowanie następowało "linia po
linii" po całej powierzchni próbki, wywołują emisję elektronów wtórnych i rozproszenie
wsteczne elektronów wiązki pierwotnej. Tak utworzony sygnał uległ wzmocnieniu i
przeszedł na ekran lampy oscylacyjnej, odwzorowując topografię powierzchni.
11.6. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego

Badania rentgenowskie przeprowadzono metodą szerokokątowego rozpraszania
promieni rentgenowskich (WAXS) wykorzystując dyfraktometr horyzontalny TUR-M62 z
goniometrem HZG-3, sterowany komputerowo, ze źródłem promieniowania: anoda
miedziowa. Pomiary wykonywano w zakresie kąta 2θ równym 3-30o, przy wykorzystaniu
promieniowania 1,5418 Å, z szybkością zliczania impulsów 0,02o/3 s.
11.7. Kąt zwilżania

Kąt zwilżania jest ilościową miarą zwilżalności ciała stałego przez ciecz. Pomiar
kąta zwilżania opierał się na zapisie obrazów kropli i analizie jej kształtu w funkcji czasu.
Badania prowadzono przy użyciu optycznego analizatora kąta zwilżania Theta Optical
Tensiometer (Attension) wyposażonego w oprogramowanie KSV Contact Angle
Measurements system. W celu wyznaczenia kąta zwilżania, badane materiały zostały
przygotowane w postaci pastylki. Próbka została umieszczona w stalowej formie o
średnicy 13 mm i sprasowana pod naciskiem 500 MPa. Po sprasowaniu próbka miała
postać dysku o wysokości 2-3 mm, którą zamieszczono w statywie. Delikatnie naciskając
tłok strzykawki kroplę cieczy pomiarowej umieszczono na powierzchni badanego
materiału. Jako ciecze pomiarowe zastosowano: wodę destylowaną, chloroform, octan
etylu oraz heptan. Objętość kropli pomiarowej wynosiła 120 ±20 µl. Eksperyment polegał
76
na bezpośrednim pomiarze kąta jaki powstaje między powierzchnią badanej pastylki, a
kroplą cieczy pomiarowej w temperaturze pokojowej. Pomiar był powtarzany trzykrotnie.
 Obliczenia
 Wyznaczenie składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej
W celu określenia składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej,
wykorzystano zależność równowagi rzutów sił na kierunek poziomy, zwaną równaniem
Younga [224, 225]:
 S  SL   L cos 
(39)
w którym:
 S - składowa swobodnej energii powierzchniowej ciała stałego [mJ/m2],
 L - składowa swobodnej energii powierzchniowej cieczy [mJ/m2],
 SL - składowa swobodnej energii powierzchniowej międzyfazowa ciało stałe-ciecz
[mJ/m2],
 - kąt zwilżania ciała stałego cieczą pomiarową [o].
Według Fowkesa składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej
związana jest z oddziaływaniami Londona, które wynikają z fluktuacji dipoli
elektronowych, czyli przyciągania się przyległych atomów lub cząsteczek. Aby wyznaczyć
energię powierzchniową pominął oddziaływania specyficzne, określając  SL według
następującego wzoru [225,226]:
 SL   S   L  2  SD  LD
(40)
w którym:
 SD - składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej [mJ/m2].
Po połączeniu równania (39) i (40) otrzymuje się wzór na swobodną energię
powierzchniową ciała niepolarnego - tzn. takiego dla którego  S   SD , a w przypadku
kiedy ciecz pomiarowa jest cieczą dyspersyjną tzn.  L   LD , równanie przyjmuje postać:

D
S

 LD (1  cos  ) 2
4
(41)
77
 Wyznaczenie składowej specyficznej swobodnej energii powierzchniowej
Podczas wyznaczania składowej specyficznej swobodnej energii powierzchniowej,
obliczenia nie mogą być ograniczone tylko teorią oddziaływań dyspersyjnych. Należy
również wziąć pod uwagę oddziaływania innego typu - oddziaływania polarne, czyli
zdolność do działania jak akceptor lub donor elektronów wraz ze zdolnością do tworzenia
wiązań wodorowych. Wszystkie te oddziaływania są odpowiedzialne za energię
międzyfazową ciecz - ciało stałe.
Van Oss założył, że swobodna energia powierzchniowa ciał stałych i cieczy jest
sumą oddziaływań Lifschitza-Van der Waalsa oraz oddziaływań kwasowo-zasadowych
wynikających z teorii Lewisa [227]. Zgodnie z jego teorią, składową specyficzną
swobodnej energii powierzchniowej  SSP [mJ/m2], wyznaczono z równania:
 SSP  2  S  S
(42)
w którym:  S oznacza składową specyficzną związaną z oddziaływaniami kwasowymi
badanego materiału, a  S z zasadowymi oddziaływaniami. Kwasowe i zasadowe składowe
obliczane są z następującego równania [228]:
(1  cos  ) L
  SD  LD   S  L   S  L
2
(43)
w którym:  L ,  L oznaczają odpowiednio kwasową i zasadową składową cieczy
pomiarowej. W równaniu tym występują trzy niewiadome:  S ,  S ,  SD dlatego ich
wyznaczenie wymaga rozwiązania układu trzech równań liniowych. Układ taki należy
rozwiązać używają trzech cieczy pomiarowych, z których dwie są polarne i jedna apolarna.
11.8. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej w warunkach in
vitro
 Badania in vitro nośników do postaci doustnych
Badania uwalniania ibuprofenu w warunkach in vitro były wykonane w oparciu o
monografię USP 32 <Ibuprofen Tablets>, używając aparatu łopatkowego DT60, Erweka.
Stężenie ibuprofenu w materiałach hybrydowych oznaczano metodą spektrofotometryczną
z detekcją UV przy długości fali 264 nm. Badania przeprowadzono za pomocą
spektrfotometru UV-2401PC, Shimadzu Corp., z zestawem kuwet kwarcowych. Medium
do uwalniania ibuprofenu składało się z 900 ml buforu fosforanowego o pH 7,2,
utrzymywanego w temperaturze 37oC ± 0,5oC. Bufor fosforanowy został przygotowany
78
zgodnie z normą USP <Buffer solutions>. Szybkość łopatek ustawiono na 50 obr/min. W
naczyniu umieszczono odpowiednią ilość materiału zawierającą 200 mg ibuprofenu. Porcję
roztworu (5 ml) pobierano za pomocą strzykawki z filtrem o porowatości 0,45 µm, po
czym zawartość buforu uzupełniano do stałej objętości. Próbkę pobierano w następujących
odstępach czasowych: 5 min, 15 min, 30 min, 1h, 2h, 4h i 6h. Dla każdego materiału
hybrydowego wykonywano trzy oznaczenia.
Badania zostały wykonane w Katedrze i Zakładzie Technologii Postaci Leków na
Uniwersytecie Medycznym w Poznaniu.
W celu zbadania mechanizmu i kinetyki uwalniania, dla wszystkich materiałów
zastosowano różne modele kinetyczne opisane w rozdziale 5. Model z najwyższym
współczynnikiem korelacji został wybrany jako najlepsze dopasowanie modelu
kinetycznego.
 Badania in vitro nośników do ubytków kostnych
Badania dostępności farmaceutycznej prowadzono w termostatowanej łaźni wodnej
(37oC) z wytrząsaniem horyzontalnym przy częstości ruchów 100 obr/min. Scaffoldy były
umieszczone w kolbach wypełnionych 200 ml buforu fosforanowego o pH 7,2. Każdy
scaffold zawierał 150 mg ibuprofenu. Porcję roztworu (5 ml) pobierano za pomocą
strzykawki z filtrem (0,45 µm), następnie badano jego absorbancję przy długości fali
264_nm. Badania prowadzono za pomocą spektrofotometru Jasco V-630. Czas badania dla
każdej próbki wynosił trzy dni, roztwór pobierano w następujących odstępach czasowych:
5 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 6 h, 24h, 28h, 48h and 52h. Eksperyment powtarzano
trzykrotnie.
11.9. Analiza chemometryczna
W celu przeanalizowania wyników, redukcji danych, ustalenia zależności miedzy
nimi oraz określenia ich struktury, prowadzącej do klasyfikacji danych zastosowano
program
statystyczny
Statistica
(StatSoft)
wersja
10.0.
Najważniejszą
metodą
chemometryczną zastosowaną w pracy była analiza składowych głównych (ang. Principal
Component Analysis, PCA). Polega ona na przekształceniu zbioru zmiennych w taki
sposób, że pierwsza składowa opisuje tak dużą część wariancji zbioru, jak to tylko
możliwe, z kolei druga składowa drugą co do wielkości część wariancji, itd..
Do interpretacji danych zastosowano również analizę skupień (ang. Cluster
Analysis), której celem jest pogrupowanie obiektów w taki sposób, aby stopień powiązania
między nimi był jak największy.
79
WYNIKI I DYSKUSJA
12. Charakterystyka nośników do postaci doustnych
12.1. Niskotemperaturowa adsorpcja azotu
Pomiar niskotemperaturowej adsorpcji azotu został wykorzystany do wyznaczenia
powierzchni właściwej, objętości i rozmiaru porów materiału nieorganicznego w układach
hybrydowych.
Aerosil posiada dość dużą powierzchnię właściwą 169±20 m2/g, średnią objętość
porów 0,43 cm3/g, a jego izoterma adsorpcji (Rysunek 20) wskazuje, że krzemionka
charakteryzuje się dobrze rozwiniętą strukturą mezoporowatą. Izoterma posiada
wykształconą adsorpcyjno-desorpcyjną pętlę histerezy oraz dobrze zaznaczony stopień
kondensacji kapilarnej w przedziale ciśnień względnych od 0,8 do 1. Wzrost wartości
adsorpcji azotu w tym obszarze wskazuje na wąską funkcję rozkładu objętości mezoporów,
Objętość zaadsorbowanego
gazu N2 [ cm3/g]
z maksimum położonym w zakresie stosunkowo dużych wymiarów mezoporów.
350
300
250
200
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Ciśnienie względne p/po
Rysunek 20. Izoterma adsorpcji i desorpcji azotu w temperaturze 77K dla AR816
Informacje na temat właściwości strukturalnych nośnika są istotne, ponieważ
polimer konkuruje z substancją aktywną o dostęp do miejsc aktywnych, a co za tym idzie
zmniejsza powierzchnię właściwą i dostępną objętość porów. W tabeli 10 przedstawiono
wartości parametrów dla materiałów po jednym, dwóch i trzech dniach inkorporowania
ibuprofenu w krzemionce. Powierzchnia właściwa krzemionki już po pierwszym dniu
inkorporowania zmniejszyła się, co może być wynikiem blokowania centrów aktywnych
obecnych na powierzchni badanego nośnika nieorganicznego. W ciągu kolejnych dwóch
80
dni, powierzchnia właściwa nieznacznie wzrosła, co prawdopodobnie jest związane z
adsorbowaniem niewielkich ilości cząsteczek ibuprofenu na powierzchni krzemionki.
Rozmiar i objętość porów po inkorporowaniu wzrosły, a po dwóch dniach nie zmieniały
się. Być może w pierwszej kolejności najmniejsze pory zostały zapełnione przez cząsteczki
ibuprofenu, a następnie po ustaleniu równowagi w układzie, etanol częściowo wymył je z
większych mezoporów. Tym samym całkowita objętość i rozmiar porów wzrosły. Tą samą
zależność można zauważyć również na wykresach rozkładu objętości porów (Rysunek 21).
Funkcje rozkładu, zarówno przed jak i po etapie inkorporowania, miały charakter
asymetryczny i nieregularny. Piki odpowiadające najmniejszym porom mają mniejszą
dyspersję niż piki charakteryzujące pory o średnich rozmiarach. Maksima pików
pochodzących od mikroporów były położone w przedziale od 1,8 do 2,1 nm. Po etapie
inkorporowania substancji aktywnej, nie zauważono zmian w położeniu maksimów pików,
natomiast zaszły zmiany w ich wysokościach. Objętość mikroporów dla AR816+IB
zmalała niemal 1,5-krotnie w stosunku do Aerosilu. Poza tym, po zaadsorbowaniu się
cząsteczek ibuprofenu na powierzchni krzemionki, wzrosła objętość porów.
Analogiczne zależności występowały dla Aerosilu®200, jedynie powierzchnia
właściwa jest nieco większa 180±20 m2/g, niż w przypadku Aerosilu®816.
Tabela 10. Wartości powierzchni właściwej, objętości i rozmiaru porów wyznaczone z
procedury BET
Parametry
AR816
Czas inkorporowania IB w AR 816
1 dzień
2 dni
3 dni
169,0
113,9
114,5
119,5
Powierzchnia właściwa
[m2/g]
0,43
0,59
0,67
0,67
Objętość porów [cm3/g]
12,8
22
24
24
Rozmiar porów [nm]
Rysunek 21. Funkcja rozkładu objętości porów wyznaczona dla AR816 oraz
Ar816+IB
81
12.2. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego
Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego została wykorzystana do badań składu
fazowego i struktury materiałów hybrydowych. Ze względu na to, że dyfraktogramy dla
materiałów hybrydowych ze wszystkimi polimerami wykazywały podobne zależności, w
pracy jako przykładowe zamieszczono dyfraktogramy dla układu AR+IB+PLA.
Na rysunku 22 przedstawiono dyfraktogram ibuprofenu zawierający liczne refleksy
w zakresie kąta 2θ od 3 do 30o, świadczący o dobrze wykrystalizowanym i jednorodnym
preparacie. Dyfraktogram ibuprofenu zawiera intensywny pojedynczy refleks przy 6 o kąta
2θ, jak również dwa piki przy 16o i 18o 2θ, jeden dublet przy 20o 2θ oraz refleks przy 22o
2θ. W przypadku krzemionki (Rysunek 23) praktycznie nie występują wyraźne maksima
krzywej, charakterystyczne dla fazy krystalicznej. Na dyfraktogramie zaobserwowano
Intensywność [j.w.]
natomiast występowanie szerokiej linii świadczącej o dużym udziale fazy amorficznej.
2000
1500
1000
500
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 22. Dyfraktogram rentgenowski ibuprofenu
350
300
250
200
150
100
50
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 23. Dyfraktogram rentgenowski Aerosilu®816
82
Rysunek 24 i 25 prezentuje dyfraktogramy dla krzemionki, po etapie
inkorporowania, w proporcji wagowej 1:1 i 5:1. Ibuprofen ulega istotnym zmianom,
zauważa się destrukcję sieci krystalicznej, o czym świadczą zmniejszone intensywności
wszystkich refleksów. Dla materiału w proporcji 5:1 (Rysunek 25) widoczna jest znaczna
obecność fazy amorficznej, a niewielkie refleksy dyfrakcyjne wskazują na to, że faza
krystaliczna występuje wewnątrz porów krzemionki. Wyniki badań XRD potwierdzają
zależności otrzymane z badań BET.
250
200
150
100
50
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 24. Dyfraktogram rentgenowski Aerosilu®816 z ibuprofenem w proporcji 1:1
200
150
100
50
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 25. Dyfraktogram rentgenowski Aerosilu®816 z ibuprofenem w proporcji 5:1
83
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 26. Dyfraktogram rentgenowski polilaktydu
500
400
300
200
100
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 27. Dyfraktogram rentgenowski układu hybrydowego AR816+IB+PLA w
proporcji 1:1:1
200
150
100
50
0
3
8
13
18
23
28
2 Theta
Rysunek 28. Dyfraktogram rentgenowski układu hybrydowego AR816+IB+PLA w
proporcji 5:1:1
84
Rysunki 27 i 28 obrazują dyfraktogramy materiałów hybrydowych, które zawierają
polilaktyd (AR816+IB+PLA) w proporcjach wagowych 1:1:1 i 5:1:1. Dyfraktogram
polilaktydu wykazuje dwa intensywne refleksy (Rysunek 26): 17 i 19o kąta 2θ,
odpowiedzialne za fazę krystaliczną polimeru. W równowagowej proporcji użytych
materiałów widoczne są głównie refleksy pochodzące od polilaktydu oraz refleksy o
niskiej intensywności pochodzące od ibuprofenu przy 20 i 22o kąta 2θ. Natomiast
zastosowanie większej ilości krzemionki w układzie (Rysunek 28) skutkuje pojawieniem
się fazy amorficznej na dyfraktogramie. Dodatkowo intensywność refleksów polilaktydu
znacznie zmalała.
12.3. Skaningowa mikroskopia elektronowa
Skaningowa mikroskopia elektronowa pomogła w zobrazowaniu morfologii
powierzchni materiałów hybrydowych. Wszystkie zdjęcia zostały wykonane w
przybliżeniu 4000. Krzemionka charakteryzuje się wysokim stopniem rozdrobnienia, które
uniemożliwia określenie kształtu jej cząstek, nawet przy dużym powiększeniu. Na zdjęciu
29a) zaobserwowano aglomeraty krzemionki. Ibuprofen charakteryzuje się krystaliczną,
płytkową budową (Rysunek 29b). Na zdjęciu AR816+IB (Rysunek 29c) w proporcji 1:1
zauważono częściowe pokrycie ibuprofenu - materiał charakteryzuje się ostrymi
krawędziami i zwartą konsystencją. Jednak w proporcji 5:1 udział ibuprofenu na
powierzchni krzemionki jest już
mniejszy, struktura materiału przypomina strukturę
podobną do AR816 z większymi skupiskami cząstek (Rysunek 29d).
Na rysunku 30 przedstawiono zdjęcia materiałów hybrydowych z różnymi polimerami.
Pośród zastosowanych polimerów najlepszą dyspersję i dystrybucję cząsteczek wykazywał
materiał hybrydowy zawierający pluronik. W pozostałych przypadkach materiały
charakteryzowały się nieregularnymi kształtami i zwartą konsystencją. Dodatkowo układ
AR816+IB+EUD
wykazywał
największą
zdolność
do
agregowania
cząstek
poszczególnych składników układu, w wyniku czego na zdjęciu można zauważyć większe
cząstki o ostrych krawędziach.
85
a) AR 816
c) AR816+IB 1:1
b) IB
d) AR816+IB 5:1
Rysunek 29. Zdjęcia SEM dla: a) AR816, b) IB, c) AR816+IB w proporcji 1:1,
d) AR816+IB w proporcji 5:1
AR816+IB+PEG
AR816+IB+PLU
AR816+IB+PLA
AR816+IB+EUD
Rysunek 30. Zdjęcia SEM materiałów hybrydowych w proporcji 1:1:1
86
12.4. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera
Badania spektroskopowe prowadzono w celu oceny procesu otrzymywania
materiałów hybrydowych. Na podstawie analizy widm spektroskopii w podczerwieni
określono
strukturę
ugrupowań
powierzchniowych
oraz
zbadano
możliwość
oddziaływania pomiędzy substancją aktywną a materiałem hybrydowym, skutkujących w
przesunięciach pasm odpowiednich ugrupowań.
Na rysunku 31 przedstawiono widmo krzemionki po etapie inkorporowania
ibuprofenu (AR816+IB) oraz pojedyncze składowe układu. Widmo AR816+IB posiada
charakterystyczne pasma przy długości fali 3500-3400 cm-1 typowe dla grup OH
pochodzących od krzemionki; pasma przy 2977-2866 cm-1 odpowiadają grupom
metylenowym. Intensywne pasmo przy 1719 cm-1 pochodzi od drgań rozciągających grupy
C=O, natomiast pasmo 1300-1100 cm-1 od grupy Si-O-Si. Dodatkowo, poprzez
zestawienie widm pojedynczych składników mieszaniny można zauważyć tworzenie się
wiązań wodorowych, co skutkuje przesunięciem pasm odpowiednich ugrupowań
(Tabela 11). Pasma drgań grupy donorowej protonu OH pochodzącej od krzemionki uległy
przesunięciu od 3431,76 cm-1 do 3341,55 cm-1, czyli w kierunku niższych częstości. Jest to
spowodowane wydłużeniem i osłabieniem wiązania na skutek tworzenia wiązań
wodorowych średniej mocy (np. O-H...O=C lub O-H...O-H).. Pasma grupy OH
pochodzącej od ibuprofenu uległy przesunięciu od 2728,89 do 2730,73 cm-1 oraz od
2632,76 do 2633,33 cm-1, co jest związane ze skróceniem wiązania i obniżeniem
intensywności pasma - typowe dla słabych wiązań wodorowych.
87
Rysunek 31. Widma FTIR Aerosilu®816, ibuprofenu oraz ich mieszaniny w
proporcji w/w 1:1 po etapie inkorporacji ibuprofenu w krzemionce
Tabela 11. Charakterystyczne ugrupowania i długości fal w widmie FTIR dla
AR816, IB i AR816+IB
Materiał
AR816
IB
Rodzaj
ugrupowania
-OH
-CH
≡Si-O-Si≡
Si-C
-CH3
-OH
AR816+IB
C=O
=C-H
C=C
-OH
-CH
C=O
≡Si-O-Si≡
C=C
Si-C
Liczba falowa [cm-1]
3431,76
2928,54
1116,09
472,960
2955,85
2922,75
2728,89
2632,76
1720,86
1123,17
780,040
3341,55
2730,73
2633,33
2956,24
1720,35
1098,04
780,090
471,660
88
Rysunek 32 przedstawia widmo AR816 z IB po jednym, dwóch i trzech dniach
inkorporowania ibuprofenu w krzemionce. Na widmach w podczerwieni zauważono
obniżenie częstości pasma drgań rozciągających, co jest związane z tworzeniem wiązań
wodorowych. W pierwszym dniu pasmo grupy OH znajdowało się przy długości fali
3424,28 cm-1, natomiast po trzecim dniu przy 3421,48 cm-1. Tworzenie wiązań
wodorowych przejawia się również zmianą w intensywności pasma νOH. Z wydłużeniem
czasu inkorporowania IB, maleje intensywność pasm. Podobne zależności można
zauważyć w przypadku grup protonoakceptorowych, dla C=O częstość drgania obniżyła
się od 1709,97 cm-1 do 1708,31 cm-1, z kolei dla ≡Si-O-Si≡ od 1114,76 do 1061,69 cm-1.
Rysunek 32. Widmo FTIR dla AR816+IB w proporcji w/w 5:1 po 1,2 i 3 dniach
inkorporacji
Na rysunku 33 przedstawiono widmo AR816 z IB po jednym, dwóch i trzech
dniach inkorporowania ibuprofenu w krzemionce w proporcji w/w 5:1, ale wykonane
techniką osłabionego całkowitego odbicia (ATR), co umożliwiło zbadanie warstwy
wierzchniej materiałów. Na widmach widoczne są intensywne pasma pochodzące od grupy
Si-O-Si przy długości 1100-1000 cm-1 oraz niewielkie pasmo od Si-OH ok. 800 cm-1, jak
również pasmo o najmniejszej intensywności przy 1710 cm-1 grupy C=O. Dlatego można
przypuszczać, że większość cząsteczek ibuprofenu znajduje się w porach krzemionki,
ponieważ w widmie przeważają pasma pochodzące od ugrupowań krzemionki. Jednakże
pojawiają się pasma o małej intensywności pochodzące od C=O, co świadczy o obecności
89
ich niewielkich ilości na powierzchni krzemionki. Ponadto, można zauważyć, że po
dwóch/trzech dniach inkorporowania nie zmienia się już znacznie intensywność pasm oraz
częstość drgań wiązań grup donorowych, jak i akceptorowych obniżają się - dla Si-O-Si
1062,69→1053,05→1053,05 cm-1 i dla C=O 1714,92→1709,75→1707,57 cm-1.
Rysunek 33. Widmo ATR dla AR816+IB w proporcji w/w 5:1 po 1,2 i 3 dniach
inkorporacji
Rysunek 34. Widmo ATR dla AR816+IB w proporcji w/w 1:1, 5:1 i 10:1
90
Dzięki
technice
osłabionego
całkowitego
odbicia
można
również
było
zaobserwować zmianę w warstwie wierzchniej ilości ugrupowań pochodzących od
ibuprofenu w zależności od ilości stosowanej krzemionki. Na rysunku 34 można dostrzec
zmianę w intensywności pasm pochodzących od C=O przy długości 1706,87 cm -1. Wraz
ze wzrostem ilości AR816 maleje intensywność pasma. Tymczasem, dla grupy -Si-O-Sileżącej przy długości 1051,12 cm-1 intensywność pasma rośnie wraz ze zwiększającą się
ilością krzemionki. W proporcji 10:1 AR816+IB, wniknięcie ibuprofenu do porów
krzemionki jest niemalże całkowite, o czym świadczy zanik pasm grupy C=O. W związku
z tym, aby cząsteczki ibuprofenu znajdowały się w porach krzemionki, a nie na jej
powierzchni, potrzeba użyć dziesięć razy więcej krzemionki niż ibuprofenu.
Rysunek 35. Widmo FTIR dla AR816+IB z PEG, PLA, PLU, EUD w proporcji w/w 1:1:1
Po drugim etapie tworzenia materiałów hybrydowych - po pokryciu polimerem,
wykonano
również
widma
w
podczerwieni,
określono
położenie
pasm
charakterystycznych ugrupowań (Rysunek 35) oraz sprawdzono oddziaływania pomiędzy
ibuprofenem a materiałem hybrydowym. Rysunek 35 przedstawia widma dla krzemionki z
ibuprofenem pokrytej odpowiednio glikolem polietylenowym, pluronikiem, polilaktydem i
eudragidem w proporcji wagowej 1:1:1. Widma zawierają pasma ugrupowań pochodzące
zarówno od ibuprofenu, jak i od materiału hybrydowego. W każdym z widm można
zauważyć pasma δSi-O pochodzące od krzemionki przy długości 472 cm-1 i 809 cm-1od
91
δSi-C, które nie zmieniają swojego położenia, a jedynie intensywność. Z kolei kształt
pasma νSi-O-Si (1200-1000 cm-1) sugeruje obecność tych ugrupowań na widmie, tylko dla
układu z EUD, w innych przypadkach w tym obszarze występują pasma drgań νC-O-C
pochodzących od polimeru. Analizując położenie pasm poszczególnych ugrupowań
(Tabela 12) dla AR816+IB+EUD można przypuszczać, że oddziaływania pomiędzy
składnikami są silniejsze niż w pozostałych materiałach - wynika to z przesunięć częstości
drgań w kierunku niższych wartości. Wiązanie wodorowe tego typu jest zwykle wiązaniem
o dużej sile np. N-H...O=C. We wszystkich materiałach występują słabe wiązania
wodorowe, przejawiające się w przesunięciu częstości drgań walencyjnych grupy
protonodonorowej do wyższych wartości tzw. "blue shift". Związane jest to ze skróceniem
wiązania i obniżeniem intensywności pasma drgania walencyjnego.
Analogiczne zależności, dotyczące przesunięć pasm charakterystycznych ugrupowań, a
wynikające z tworzenia się wiązań wodorowych, obserwowano dla pozostałych
materiałów hybrydowych w różnych proporcjach wagowych.
Rysunek 36. Widmo ATR dla układu AR816+IB+PEG w proporcjach w/w 5:1:1 i 5:1:5
Rysunek 37. Widmo ATR dla układu AR200+IB+PLU w proporcjach w/w 10:1:2, 10:1:5,
10:1:10
92
Tabela 12. Charakterystyczne ugrupowania i długości fal dla poszczególnych materiałów hybrydowych w proporcji 1:1:1 i ich pojedynczych
składników
AR816
IB
PEG
PLA
PLU
3431
2728
2632
3547
3509
3444
2928
2955
2922
1720
2889
2740
3001
2950
1759
2888
1462
1008
1468
1343
1459
1388
970
1113
EUD
AR816+IB+PEG AR816+IB+PLA
AR816+IB+PLU
3423
3647
3423
3444
2996
2953
1733
2955
2892
1720
2982
1467
1343
1482
1387
1466
1343
2956
2871
1761
1720
1462
1385
1214
1183
1133
1088
1042
1112
1278
1104
1185
1090
1185
1111
963
960
871
963
842
809
935
866
780
469
809
963
842
779
472
1720
1468
1344
1116
1246
1192
1176
809
936
881
780
472
962
842
985
809
809
961
842
779
473
AR816+IB+EUD
Rodzaj
ugrupowania
νO-H
3441
2955
2956
1723
νN-H
νC-H
1462
1383
1110
νC=O
δC-H
νSi-O-Si
νC-O-C
νC-C(=O)-O
809
985
809
780
473
νSi-C
δC-H
δSi-O
93
W badaniu trójskładnikowych materiałów hybrydowych przydatna była również
technika ATR. Umożliwiła ona określenie stopnia pokrycia układu AR816+IB polimerem.
Niezależnie od zastosowanego polimeru, materiały hybrydowe wykazywały podobne
tendencje. Im większa ilość polimeru w układzie, tym większa intensywność pasm
pochodząca od ich ugrupowań. Na rysunkach 36 i 37 zostały przedstawione przykładowe
widma ATR dla dla materiałów hybrydowych w różną ilością użytego polimeru. Na
rysunku 23 oprócz pasm pochodzących od polimeru, widoczne są również posama νC=O
od IB przy długości fali 1715 cm-1, czyli cząsteczki ibuprofenu znajdują się w warstwie
powierzchniowej materiału hybrydowego. Tymczasem użycie 10 porcji wagowych
krzemionki (Rysunek 37) względem ibuprofenu i pokrycie już niewielką ilością polimeru
(10:1:2), objawia się brakiem pasm pochodzących od substancji aktywnej.
12.5. Spektroskopia Ramana
Mapy ramanowskie zostały wykonane w celu określenia stopnia jednorodności
materiałów hybrydowych. Poznanie rozmieszczenia składników w próbce było możliwe,
dzięki wykonaniu widm ramanowskich pojedynczych składników układu hybrydowego i
wyznaczeniu charakterystycznych pasm ugrupowań. Należało wyznaczyć pasma
pojedynczych składników materiału hybrydowego, które nie pokrywały się z pasmami
pozostałych składników. Skala intensywności dla analizowanych pasm, celowo nie została
zmieniona dla poszczególnych materiałów hybrydowych. Dzięki temu można było
zauważyć różnice w morfologii powierzchni, wynikające z ilości użytych materiałów.
Układy hybrydowe z pluronikiem i glikolem polietylenowym oraz polilaktydem z
eudragidem wykazywały podobne tendencje w mapowaniu ramanowskim. W dalszej
części pracy jako reprezentatywne materiały hybrydowe wybrano układy z pluronikiem
oraz polilaktydem.
W wyniku porównania widma pluroniku z widmem ibuprofenu wyznaczono dwa
pasma pochodzące od PLU (Rysunek 38), które nie pokrywają się z pasmami
pochodzącymi od IB. Jedno z wybranych pasm PLU obserwujemy przy 1142cm-1, a
drugie w 1484cm-1, dlatego mapa została wykonana w zakresie od 1084 do 1600cm-1.
Wybrane do dalszych analiz pasma IB to 1181 cm-1 i 1206 cm-1. Obszary czerwone na
mapach ramanowskich odpowiadają miejscom, gdzie intensywność pasm ugrupowań od
danego związku jest najsilniejsza, natomiast w obszarach niebieskich - najsłabsza. W
obszarach czarnych, intensywność pasm odpowiednich ugrupowań zanika. Na rysunku 39
można zaobserwować, że największa intensywność pasm pochodzących od IB, jak i od
94
PLU występują w określonych obszarach. W miejscach gdzie widoczne są intensywne
pasma ugrupowań IB, obserwuje się małą intensywność (kolor niebieski) pasm PLU.
Niewątpliwie na obrazowanie powierzchni, wpłynęły również pasma pochodzące od
krzemionki, jednakże nie było możliwe otrzymanie widma ramanowskiego w danym
zakresie długości fal dla tego materiału. Stosując pięć razy więcej krzemionki względem
pozostałych składników układu hybrydowego, zaobserwowano zmiany w mapach
ramanowskich (Rysunek 40). Intensywność pasm zarówno IB, jak i PLU zmalała, a
jedynie zauważalne są niewielkie obszary, w których zgromadził się ibuprofen. Z kolei
użycie większej ilości polimeru, powoduje zanik pasm pochodzących od ibuprofenu oraz
pojawienie się intensywnych pasm pluroniku (Rysunek 41). Pokrycie krzemionki i
ibuprofenu taką ilością polimeru, może wpływać na późniejsze uwalnianie substancji
aktywnej z układu.
Rysunek 38. Widma ramanowskie IB i PL
95
AR+IB+PLU 1:1:1
IBUPROFEN
-1
40 1142cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
PLURONIC
20
15
-1
20
15
10
10
5
5
0
0
0
10
684,0
40
1481cm
20
630,5
30
577,0
40
X [ m ]
523,5
470,0
50
60
70
0
80
10
20
30
40
50
60
70
80
X [ m ]
416,5
363,0
309,5
256,0
2390
-1
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
1181cm
20
15
1905
1663
1420
1178
935,0
692,5
450,0
-1
20
15
10
10
5
5
0
1206cm
2148
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
960,0
882,0
804,0
726,0
648,0
40
50
60
70
80
X [ m ]
X [ m ]
570,0
492,0
414,0
336,0
1995
1791
1586
1382
1178
973,1
768,8
Rysunek 39. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLU w proporcji 1:1:1
564,4
360,0
96
AR+IB+PLU 1:1:1
IBUPROFEN
-1
40 1142cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
PLURONIC
20
15
15
10
5
5
0
0
0
10
684,0
1481cm
20
630,5
30
577,0
523,5
40
X [ m ]
470,0
50
416,5
60
363,0
70
309,5
0
80
10
256,0
2390
-1
40
35
35
30
30
25
25
20
15
30
40
50
60
70
80
1206cm
2148
1905
1663
1420
1178
935,0
692,5
450,0
-1
20
15
10
10
5
5
0
20
X [ m ]
Y [ m ]
Y [ m ]
-1
20
10
40
1181cm
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
960,0
882,0
804,0
726,0
648,0
40
50
60
70
80
X [ m ]
X [ m ]
570,0
492,0
414,0
336,0
1995
1791
1586
1382
1178
973,1
768,8
564,4
360,0
97
AR+IB+PLU 5:1:1
PLURONIC
1142cm
1181cm
-1
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
40
IBUPROFEN
20
15
20
15
10
10
5
5
0
-1
0
0
10
450,0
20
400,0
30
350,0
40
X [ m ]
300,0
250,0
50
60
70
80
0
10
200,0
150,0
100,0
40
50
60
70
80
50,00
-1
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
1481cm
30
X [ m ]
2390
40
20
20
15
10
1206cm
2148
1905
1663
1420
1178
935,0
692,5
450,0
-1
20
15
10
5
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
0
10
20
30
X [ m ]
960,0
882,0
804,0
726,0
648,0
40
50
60
70
80
X [ m ]
570,0
492,0
414,0
336,0
1995
1791
1586
1382
1178
973,1
768,8
564,4
360,0
98
AR+IB+PLU 5:1:5
IBUPROFEN
-1
40 1142cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
PLURONIC
20
15
20
15
5
5
0
0
0
10
684,0
1481cm
20
630,5
30
577,0
523,5
40
X [ m ]
470,0
50
416,5
60
363,0
70
309,5
0
80
10
2390
256,0
-1
40
35
35
30
30
25
25
20
15
20
30
40
50
60
70
80
X [ m ]
Y [ m ]
Y [ m ]
-1
10
10
40
1181cm
1206cm
2148
1905
1663
1420
1178
935,0
692,5
450,0
-1
20
15
10
10
5
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
960,0
882,0
804,0
726,0
648,0
40
50
60
70
80
X [ m ]
X [ m ]
570,0
492,0
414,0
336,0
1995
1791
1586
1382
1178
973,1
768,8
564,4
360,0
99
Porównanie widm polilaktydu i ibuprofenu pozwoliła na wskazanie trzech pasm
pochodzących od PLA, które nie pokrywają się z pasmami IB (Rysunek 42). Najbardziej
intensywne pasmo polimeru obserwujemy w położeniu 875 cm-1, ale wpływ na jego
intensywność w układzie hybrydowym, może mieć słabe pasmo pochodzące od substancji
aktywnej. Dlatego dla pewności analizowane są również pasma w położeniach 712 cm-1 i
1043 cm-1. Natomiast pasma dla IB wyznaczono przy długości 637 i 782 cm-1.
Rysunek 42. Widma ramanowskie IB i PLA
Zależności wynikające z mapowania powierzchni w przypadku materiałów
hybrydowych zawierających polilaktyd w poszczególnych proporcjach, są odmienne od
materiałów z pluronikiem. Różnice te widać już w przypadku proporcji 1:1:1
(Rysunek_43), w których udział IB i PLA jest niewielki. Intensywność pasm IB i PLA
pojawia się na mapie w tych samych miejscach, przez co można wnioskować, iż w tym
układzie hybrydowym następuje większa tendencja do tworzenia się skupisk. Zjawisko to
jest bardziej widoczne dla IB. Tymczasem większa ilość krzemionki w materiale
hybrydowym wpływa na obniżenie intensywności pasm zarówno PLA, jak i IB
(Rysunek_44). Prawdopodobnie cząsteczki IB i PLA zostały zaadsorbowane w porach
krzemionki, przez co na mapach ramanowskich intensywność pasm pochodzących od tych
związków zmalała. Z kolei większa ilość polimeru wpłynęła na zwiększenie intensywności
pasm PLA oraz IB (Rysunek 45). Intensywność pasm PLA występuje w jednym obszarze
mapy, a w przypadku pasm IB można zaobserwować bardziej regularne rozłożenie.
Wydaje się, że dystrybucja IB w polimerze oraz krzemionce jest bardziej jednorodna.
Zastosowanie różnych proporcji wagowych materiałów ma kluczowy wpływ na
jednorodność układów hybrydowych. Istotnym elementem jest także rodzaj polimeru,
który wpływa na aglomerowanie się cząsteczek.
100
AR+IB+PLA 1:1:1
POLILAKTYD
IBUPROFEN
-1
639cm
-1
875cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
40
20
15
20
15
10
10
5
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
0
80
10
20
30
3253
2925
2598
2270
1943
1615
1288
5300
960,0
-1
70
80
4733
4165
3598
3030
2463
1895
1328
760,0
784cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
60
-1
1045cm
40
50
X [ m ]
X [ m ]
3580
40
20
15
10
5
20
15
10
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
X [ m ]
3060
2754
2448
2141
1835
40
50
60
70
X [ m ]
1529
1223
916,3
610,0
5360
4783
4205
3628
3050
2473
1895
1318
Rysunek 43. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLA w proporcji 1:1:1
740,0
80
101
AR+IB+PLA 5:1:1
POLILAKTYD
875cm
-1
40
35
35
30
30
25
25
20
20
B
Y [ m ]
40
IBUPROFEN
15
639cm
-1
15
10
10
5
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
0
80
10
20
30
1,191E4
1,063E4
9338
8050
6763
5475
4188
1,210E4
2900
-1
60
70
80
1,084E4
9575
8313
7050
5788
4525
3263
2000
-1
1045cm
40
35
35
30
30
25
25
20
20
B
B
40
50
A
X [ m ]
1,320E4
40
15
15
10
10
5
5
784cm
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
9165
8070
6975
5880
50
60
70
A
A
1,026E4
40
4785
3690
2595
1500
1,145E4
1,026E4
9063
7869
6675
5481
4288
3094
AR+IB+PLA 5:1:5
1900
80
102
POLILAKTYD
IBUPROFEN
-1
-1
875cm
639cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
40
20
15
10
20
15
10
5
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
0
80
10
20
30
7280
6600
5920
5240
4560
3880
3200
2520
3240
1840
1045cm
40
35
35
30
30
25
25
Y [ m ]
Y [ m ]
50
60
70
80
2939
2638
2336
2035
1734
1433
1131
830,0
-1
-1
40
40
X [ m ]
X [ m ]
20
15
10
5
784cm
20
15
10
5
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
X [ m ]
2625
2412
2199
1986
1773
40
50
60
70
X [ m ]
1559
1346
1133
920,0
3330
3018
2705
2393
2080
1768
1455
1143
830,0
80
103
Bardzo ważnym składnikiem leku jest nośnik, który wpływa na późniejsze
uwalnianie substancji aktywnej. Dlatego istotnym zagadnieniem jest poznanie właściwości
powierzchniowych nośników. W tym celu zastosowano odwróconą chromatografię
gazową. Dzięki tej metodzie określono składową dyspersyjną swobodnej energii
powierzchniowej, właściwości kwasowo-zasadowe powierzchni oraz wyznaczono
wielkość oddziaływań pomiędzy składnikami materiału hybrydowego.
12.6.1. Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej jako miara
aktywności materiałów hybrydowych
Stan energetyczny powierzchni materiałów hybrydowych określono za pomocą
składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej  SD . Każdy z materiałów
został przebadany trzykrotnie. Parametr wyznaczono za pomocą procedury Dorrisa-Gray‘a
(z równania 10) oraz Schultza-Lavielle‘a (z równania_11).
Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej  SD określa zdolność
powierzchni do oddziaływań dyspersyjnych, które są związane z aktywnością materiału.
Wartość tego parametru dla ciał stałych wynosząca ok. 20 mJ/m2 jest charakterystyczna
dla materiałów inertnych, natomiast jeśli wartość parametru jest ok. 60 mJ/m2
lub
większa, jest to typowe dla materiałów o dużej aktywności.
Tabela 13 zawiera wartości  SD dla materiałów wyjściowych potrzebnych do
utworzenia układów hybrydowych oraz „półproduktów‖ po pierwszym etapie inkorporowania substancji aktywnej w krzemionce. Wszystkie z badanych materiałów
mają porównywalne wartości parametru  SD wahające się pomiędzy 30-50 mJ/m2, co jest
charakterystyczne dla materiałów o średniej aktywności. Po etapie inkorporowania
aktywność materiałów nadal pozostaje w zakresie średniej aktywności, natomiast można
zauważyć, że wartość  SD dla ibuprofenu z krzemionką (niezależnie od proporcji) jest
nieco mniejsza, niż dla samej substancji aktywnej. Rodzaj użytej krzemionki nie miał
wpływu na aktywność powierzchniową, wartości  SD są porównywalne. Dlatego do
dalszych badań in vitro (rozdział 11.7) jako reprezentatywną wybrano krzemionkę AR816.
W celu sprawdzenia czy zachodzą różnice w uwalnianiu ibuprofenu spowodowane
rodzajem krzemionki utworzono układy hybrydowe z AR200 oraz różnymi polimerami
utworzono w proporcji 5:1:5. Dodatkowo przygotowano układy hybrydowe AR200 z PEG
104
i PLU w proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10. Proporcje te zostały wybrane na podstawie
wyników BET. Znając rozmiar cząsteczki ibuprofenu oraz objętość porów 1g krzemionki,
oszacowano ilość cząsteczek ibuprofenu, które są w stanie całkowicie zapełnić pory.
Okazało się, że należy użyć dziesięć razy więcej krzemionki względem ibuprofenu do
całkowitego zapełnienia porów. Potwierdzeniom tego faktu są widma ATR (rysunek 34 w
rozdziale 11.4.), z których wynika, że przy proporcji 5:1 AR200:IB widoczne są pasma
pochodzące od C=O ibuprofenu, natomiast przy proporcji 10:1 zauważalny jest ich zanik.
Tabela 13. Wartości parametru  SD pojedynczych składowych układów hybrydowych oraz
układów dwuskładnikowych
 SD
Materiał
AR816
AR200
IB
PEG
PLA
PLU
EUD
AR816+IB (5:1)
AR816+IB (1:1)
AR200+IB (1:1)
AR200+IB (5:1)
AR200+IB (10:1)
procedura
Dorris-Gray'a
procedura
Schultz-Lavielle'a
35,5±1,2
32,6±1,1
40,8±2,5
41,4±2,0
48,4±1,1
53,5±2,3
40,9±2,1
37,8±1,6
40,3±2,3
35,8±0,6
38,5±1,1
36,0±0,7
29,2±2,2
30,7±0,9
37,3±2,0
37,7±1,8
44,6±1,7
46,2±3,4
34,5±3,6
34,2±0,9
35,0±2,7
34,9±0,5
36,2±0,6
35,9±0,5
Większość badanych układów hybrydowych (tabela 14) ma podobne wartości
składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej (30-50 mJ/m2), typowe dla
materiałów o średniej aktywności. Wartości  SD
były większe dla materiałów
hybrydowych zawierających ich poszczególne składniki w proporcji 5:1:1, w
szczególności w przypadku układów z PEG i PLA. Mianowicie aktywność materiałów
hybrydowych zależy od rodzaju polimeru, ale również od zastosowanych proporcji
wagowych. Zależność ta została pokazana na rysunku 45. W układach hybrydowych
wartość parametru  SD jest zazwyczaj niższa niż dla ich pojedynczych składników, ale
nadal pozostaje w zakresie średniej aktywności. Jest to prawdopodobnie spowodowane
tworzeniem się wiązań wodorowych pomiędzy substancją aktywną a nośnikiem.
105
Tabela 14. Wartości parametru  SD trójskładnikowych układów hybrydowych
Materiał
 SD
procedura
Dorris-Gray'a
AR816+IB+PEG (1:1:1)
33,0±2,0
procedura
SchultzLavielle'a
30,6± 0,9
AR816+IB+PEG (5:1:1)
66,7±3,1
61,6±3,4
AR816+IB+PEG (5:1:5)
36,2±1,5
33,9±1,8
AR816+IB+PLU (1:1:1)
40,0±1,8
37,2±1,4
AR816+IB+PLU (5:1:1)
53,1±2,2
46,2±2,6
AR816+IB+PLU (5:1:5)
48,4±0,9
47,3±0,7
AR816+IB+PLA (1:1:1)
37,3±3,3
32,7±2,2
AR816+IB+PLA (5:1:1)
73,9±3,2
68,2±2,3
AR816+IB+PLA (5:1:5)
38,8±3,2
35,8±2,5
AR816+IB+EUD (1:1:1)
54,9±2,6
44,5±3,3
AR816+IB+EUD (5:1:1)
40,2±2,4
36,0±3,1
AR816+IB+EUD (5:1:5)
38,8±2,3
36,5±1,6
AR200+IB+PEG (5:1:5)
36,2±1,6
32,3±1,9
AR200+IB+PEG
(10:1:2)
AR200+IB+PEG
(10:1:5)
AR200+IB+PEG
(10:1:10)
AR200+IB+PLU (5:1:5)
35,2±1,1
31,4±2,1
33,3±1,7
30,4±2,1
34,9±1,3
32,2±0,9
42,3±0,9
40,1±1,1
AR200+IB+PLU (10:1:2)
48,4±1,6
44,7±1,5
AR200+IB+PLU (10:1:5)
38,2±0,9
34,3±1,5
AR200+IB+PLU
(10:1:10)
AR200+IB+EUD (5:1:5)
48,7±1,9
44,2±1,7
36,5±1,4
33,8±1,8
AR200+IB+PLA (5:1:5)
34,8±1,1
33,7±0,5
106
Rysunek 45. Wartości parametru  SD dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLA,
AR816+IB+PLU, AR816+IB+EUD w różnych proporcjach wagowych
Rysunek 46 przedstawia wartości parametru  SD dla układów hybrydowych w
proporcji 5:1:5, z różnymi rodzajami krzemionki (AR816 i AR200).
Zauważono, że
niezależnie od typu krzemionki, wartość składowej dyspersyjnej swobodnej energii
powierzchniowej praktycznie nie zmienia się, pozostając w zakresie średniej aktywności.
Rysunek 46. Wartości parametru  SD dla materiałów hybrydowych w proporcji 5:1:5
107
12.6.2. Charakterystyka właściwości kwasowo-zasadowych materiałów hybrydowych
O właściwościach powierzchni materiałów hybrydowych, oprócz oddziaływań
dyspersyjnych, decydują również zdolności do oddziaływań specyficznych. Wywołane są
one obecnością polarnych grup funkcyjnych na powierzchni danego materiału. Zbadano
wiec, kwasowość i zasadowość warstwy powierzchniowej materiałów hybrydowych
używając parametrów KA i KD. Wartości parametrów KA oraz KD obliczono wg wzorów 16
– 17 (rozdział 10.1.).
Na rysunku 47 przedstawiono wartości parametrów KA i KD dla materiałów
wyjściowych potrzebnych do utworzenia układów hybrydowych. Oba rodzaje krzemionek
mają większą wartość parametru KA niż KD, co jest związane z kwasowym charakterem
powierzchni. Grupy silanolowe obecne na powierzchni krzemionek nadają kwasowy
charakter powierzchni, ze względu na możliwość odszczepiania wodoru. Kwasowy
charakter powierzchni występuje również dla ibuprofenu i polilaktydu, który wynika z
obecności grupy karboksylowej. W przypadku PEG i PLU, powierzchnia materiałów
zachowuje charakter zasadowy, który jest związany z obecnością grup eterowych.
Natomiast eudragit występuje w postaci soli amoniowej, dzięki której powierzchnia ma
charakter lekko kwasowy.
W przypadku wszystkich materiałów hybrydowych, niezależnie od zastosowanej
proporcji, widoczny jest wpływ użytego nośnika na charakter powierzchni substancji
aktywnej. Na rysunku 48 przedstawiono wartości parametru KA i KD dla materiałów
hybrydowych w proporcjach 1:1:1, 5:1:1, 5:1:5. Dla układów z PEG i PLU zauważono, że
im układ hybrydowy zawiera więcej polimeru, tym bardziej widoczny jest spadek
kwasowego charakteru ibuprofenu - rośnie wartość parametru KD. Grupy eterowe obecne
w PEG i PLU posiadają wolną parę elektronów, dzięki której są uznawane za donor
elektronów lub zasadę Lewisa. Dlatego oddziaływania między krzemionką, ibuprofenem a
polimerem mogą zachodzić poprzez tworzenie wiązań wodorowych. Natomiast dla
materiałów hybrydowych z PLA i EUD, trudno było określić wpływ ilości użytych
polimerów na charakter powierzchni, ze względu na to, że wszystkie pojedyncze składniki
wykazują charakter kwasowy. W związku z tym, układy te również cechowały się
kwasowym charakterem powierzchni.
Ponadto, sprawdzono wpływ użytej krzemionki na charakter powierzchni
materiałów hybrydowych. Na wykresie (Rysunek 49) przedstawiono wartości parametrów
KA i KD dla materiałów hybrydowych w proporcji 5:1:5, z zastosowaniem AR816 oraz
108
AR200. Zauważono, że w układach z AR816 znaczny wpływ na charakter powierzchni ma
użyty polimer np. w układzie AR816+IB+PEG wartość parametru KD jest dużo większa od
KA niż w przypadku układu AR200+IB+PEG. Ta sama tendencja występuje w pozostałych
układach. Dzieje się tak, ponieważ dzięki obecności grup CH3 w krzemionce AR816
dochodzi do lepszej mieszalności z polimerem, która również zawiera grupy
węglowodorowe.
Zbadano również kwasowość i zasadowość powierzchni układów hybrydowych z
zastosowaniem większej ilości nośnika względem substancji aktywnej (Rysunek 50).
Zastosowanie już niewielkiej ilości polimeru względem AR200+IB (10:1) zmienia
charakter powierzchni z kwasowej na amfoteryczną (Rysunek 50a) - porównywalne
wartości parametrów KA i KD obserwuje się dla układu AR200+IB+PEG w proporcjach
10:1:2 oraz 10:1:5. Natomiast znaczny dodatek polimeru do układu (10:1:10) zmienia
charakter powierzchni na zasadowy. Jednak w przypadku materiałów hybrydowych z PLU
(Rysunek 50b), już w proporcji 10:1:5 występuje zasadowy charakter powierzchni. Może
to być związane z lepszym wymieszaniem składników układu oraz dokładniejszym
pokryciem powierzchni przez polimer.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
KA
KA
KD
K
D
AR816 AR200
IB
PEG
PLU
PLA
EUD
Rysunek 47. Wartości parametrów KA i KD dla pojedynczych składników materiałów
hybrydowych
109
Rysunek 48. Wartości parametrów KA i KD dla materiałów hybrydowych w proporcjach
1:1:1, 5:1:1, 5:1:5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
KA
Ka
KD
Kd
0,15
0,1
0,05
0
Rysunek 49. Wartości parametrów KA i KD dla materiałów hybrydowych w proporcji 5:1:5
110
a)
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
KA
Serie1
0,15
KD
Serie2
0,1
0,05
0
AR200+IB+PEG
(10:1:2)
b)
AR200+IB+PEG
(10:1:5)
AR200+IB+PEG
(10:1:10)
0,3
0,25
0,2
0,15
KA
Serie1
0,1
KD
Serie2
0,05
0
AR200+IB+PLU
(10:1:2)
AR200+IB+PLU
(10:1:5)
AR200+IB+PLU
(10:1:10)
Rysunek 50. Wartości parametrów KA i KD dla materiałów hybrydowych a)
AR200+IB+PEG b) AR200+IB+PLU w proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10
12.6.3. Ocena stopnia pokrycia materiału hybrydowego przez polimer za pomocą
parametru  12

Parametr  12
określa wielkość oddziaływań pomiędzy związkiem testowym a
badanym materiałem. Parametr ten został obliczony wg wzoru (26). Im większa wartość
tego parametru, tym słabsze oddziaływania związek testowy - badany materiał.

Przesłanką do wykorzystania parametru  12
jako miary stopnia pokrycia substancji
aktywnej i nieorganicznego nośnika przez polimer było założenie, że parametr ten dla
111
trójskładnikowego układu hybrydowego powinien przyjmować wartość pośrednią

pomiędzy tą uzyskaną dla krzemionki z ibuprofenem, a czystym polimerem. Wartość  12
dla Aerosilu z ibuprofenem jest wartością dla najmniejszego stopnia pokrycia, natomiast
dla polimeru odpowiada wartości dla układu pokrytego całkowicie polimerem.

Porównanie wartości parametru  12
dla materiałów hybrydowych przedstawiono
na rysunkach 51-57. W przypadku wszystkich materiałów hybrydowych można zauważyć
podobne tendencje, w oddziaływaniach pomiędzy związkiem testowym a badanym
materiałem. Dla materiałów hybrydowych w proporcji 1:1:1 (Rysunki 51-54), wartość

parametru  12
(dla większości związków testowych) jest zbliżona do wartości tego

parametru jak dla układu AR816+IB. Czasami jednak wartość  12
jest bliska lub większa
wartości tego parametru jak dla polimeru. Może to świadczyć o nierównomiernym

pokryciu powierzchni AR816+IB przez dany polimer. Z kolei, wartość parametru  12
dla
materiałów hybrydowych w proporcji 5:1:1 jest zbliżona do wartości tego parametru dla
układu AR816+IB (5:1). W związku z tym, że ilość substancji aktywnej i polimeru nie
uległa zmianie, to układ AR816+IB jest słabo pokryty przez polimer - widoczny jest
znaczny udział krzemionki. Rezultaty uzyskane z tych badań są zgodne z wnioskami
otrzymanymi z badań spektroskopii Ramana. Podczas mapowania ramanowskiego okazało
się, że w układach hybrydowych w proporcjach 5:1:1, intensywność pasm pochodzących
od IB i polimeru była niewielka (Rysunek 40,44). Wobec tego stopień pokrycia przez
polimer nie jest duży. Co więcej, na podstawie badań dyfrakcji promieniowania
rentgenowskiego, stwierdzono, że w układach w proporcji 5:1:1, na dyfraktogramie
widoczny jest znaczny udział fazy amorficznej (pochodzący od krzemionki). Intensywność
refleksów pochodzących od polimeru jest znacznie mniejsza w materiale hybrydowym, niż
dla samego polimeru (Rysunek 28). Największym stopniem pokrycia przez polimer

charakteryzowały się układy w proporcji 5:1:5. Parametr  12
dla układów hybrydowych w
proporcji 5:1:5 przyjmuje wartość pośrednią pomiędzy wartością dla układu AR816+IB, a
wartością tego parametru dla czystego polimeru. Dodatkowo wartość tego parametru
znacznie odbiega od wartości dla krzemionki z ibuprofenem.
Wartościami parametru
 12
dla materiałów hybrydowych zawierających
krzemionkę AR200 i polimery: PEG, PLU, PLA, EUD w proporcji 5:1:5 przedstawiono na
Rysunku 55. Dokonano oceny wpływu rodzaju użytej krzemionki na wartości parametru
112
 12 . Wnioski z analizy wykresów świadczyły o analogicznym zachowaniu się materiałów,

jak w przypadku układów z AR816. Wartość parametru  12
dla układów hybrydowych
zawierała się pomiędzy wartością dla układu AR200+IB, a wartością parametru dla
samego polimeru.
Zbadano również wpływ większej ilości nośnika na pokrycie ibuprofenu.
Wyznaczono parametr
 12 dla układów AR200+IB+PEG i AR200+IB+PLU w

proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10 (rysunek 56 i 57). Wartość parametru  12
dla
materiałów hybrydowych w proporcji 10:1:2 jest zbliżona do wartości tego parametru dla
układu AR200+IB (10:1), udział polimeru w układzie hybrydowym jest niewielki. Dla
układu w proporcji 10:1:5 stopień pokrycia przez PEG nadal nie jest duży, gdyż wartość
 12 nadal jest zbliżona do układu AR200+IB. Dopiero przy użyciu tej samej ilości
polimeru, co krzemionki stopień pokrycia wzrasta. Jednak w przypadku układu
hybrydowego z PLU (rysunek 57) w proporcji 10:1:5, jak również 10:1:10 stopień

pokrycia i wymieszania składników jest zdecydowanie lepszy - wartość  12
jest zbliżona
do samego polimeru.
113

Rysunek 51. Wartości parametru  12
dla układu AR816+IB+PEG w proporcjach 1:1:1,
5:1:1, 5:1:5
114

dla układu AR816+IB+PLU w proporcjach 1:1:1,
5:1:1, 5:1:5
115

dla układu AR816+IB+PLA w proporcjach 1:1:1,
5:1:1, 5:1:5
116

dla układu AR816+IB+EUD w proporcjach 1:1:1,
5:1:1, 5:1:5
117

dla układu AR200+IB+PEG, AR200+IB+PLU,
AR200+IB+PLA, AR200+IB+EUD w proporcji 5:1:5
118

dla układu AR200+IB+PEG w proporcjach 10:1:2,
10:1:5, 10:1:10
119

dla układu AR200+IB+PLU w proporcjach 10:1:2,
10:1:5, 10:1:10
120
12.6.4. Charakterystyka oddziaływań substancja aktywna-nośnik
Wielkość oddziaływań pomiędzy składnikami w układach złożonych można
'
oszacować na podstawie wartości parametru  23
. Istnieje bardzo mało doniesień
literaturowych na temat wykorzystania tego parametru w trójskładnikowych układach:
materiał organiczno-nieorganiczny (materiał hybrydowy) - substancja aktywna. Skłoniło to
do wykorzystania techniki IGC w badaniach nad przedłużonym czy kontrolowanym
uwalnianiem substancji farmaceutycznie aktywnych. W niniejszej pracy wartości
'
parametru  23
wyznaczono dla układów nośnik - substancja aktywna. Im mniejsza
wartość tego parametru, tym silniejsze oddziaływania pomiędzy składnikami w układzie
hybrydowym. Znajomość wielkości tych oddziaływań może być przydatna w znalezieniu
czynników wpływających na przedłużone uwalnianie substancji aktywnej.
'
Parametr  23
obliczono według równania (28) z
rozdziału 10.1. Wielkość
oddziaływań pomiędzy składnikami w układach hybrydowych zależała od różnych
'
czynników np. wartość parametru  23
zmieniała się w zależności od zastosowanego
polimeru. W układach AR816+IB z różnymi polimerami (Rysunek 58), we wszystkich
proporcjach wagowych, wielkość oddziaływań jest większa w materiałach z PEG i PLU
'
(bardziej ujemna wartość  23
), podczas gdy słabsze oddziaływania wydają się być dla
'
układów z PLA i EUD. Wobec tego stosunek pomiędzy parametrem  23
i uwalnianiem
'
ibuprofenu nie był do końca czytelny. Bardziej ujemna wartość parametru  23
może
wskazywać na przedłużone uwalnianie, natomiast wartość dodatnia może być związana z
szybkim uwalnianiem. W proporcji 1:1:1, uwalnianie IB z układów z PEG i PLU jest
bardzo szybkie (rysunek 62 c) Rozdział 11.7). Bardziej stopniowy i przedłużony profil
uwalniania substancji aktywnej zaobserwowano dla układów z PLA i EUD, czyli wskazuje
to na występowanie w układzie silniejszych oddziaływań pomiędzy składnikami. W
'
proporcji 5:1:1, wartości parametru  23
pomiędzy układami są zbliżone, jak również
profile uwalniania ibuprofenu wykazują pewne podobieństwa. Zaobserwowano wysokie
początkowe uwalnianie ibuprofenu, może być to dodatkowo związane z aktywnością
materiału. Materiały hybrydowe zawierające składniki w proporcji 5:1:1 wydają się być
bardziej aktywne, co jest potwierdzone przez wyższe wartości składowej dyspersyjnej
swobodnej energii powierzchniowej (Tabela 14, rozdział 11.6.1).
121
'
dla materiałów hybrydowych w proporcjach
1:1:1, 5:1:1 i 5:1:5 z różnymi polimerami
122
Materiały hybrydowe w proporcji 5:1:5 zawierające PEG i PLU posiadają w
'
bardziej ujemną wartość parametru  23
, jednak po zanalizowaniu profili uwalniania IB
zauważono, że oddziaływania między składnikami są słabsze niż w przypadku pozostałych
polimerów, gdyż już w pierwszych 30 min prawie 80% IB zostało uwolnione z układów
(rysunek 62e rozdział 11.7.). W tej proporcji spowolnionym uwalnianiem substancji
aktywnej charakteryzowały się również układy, których wartość parametru była bliższa
zeru, czyli układy z PLA i EUD.
Oprócz
rodzaju
użytego
polimeru,
zbadano
również
wpływ
nośnika
'
'
nieorganicznego, na wartość parametru  23
. Wartości parametru  23
dla układów z
AR200 są zbliżone do wartości uzyskanych dla układów z AR816 (Rysunek 59). Ponadto
dla układów AR816/AR200+IB z PLA i EUD występuje efekt przedłużonego uwalniania
IB (rysunek 62e). W tym przypadku rodzaj krzemionki nie miał raczej większego wpływu
'
na wartość parametru  23
i uwalnianie IB.
Dodatkowo, poza rodzajem użytej krzemionki i polimeru, ilość składników w
układach hybrydowych może również wpływać na wielkość oddziaływań pomiędzy nimi i
'
uwalnianie IB. Jak widać na rysunku 60, wartości parametru  23
zmieniają się w
zależności od proporcji składników. We wszystkich materiałach zauważono, że bardziej
ujemna wartość parametru, a co za tym idzie silniejsze oddziaływania, występują w
układach o proporcjach 5:1:1 i 5:1:5, niż w przypadku proporcji 1:1:1. Tendencja ta jest
szczególnie widoczna dla układów: AR816+IB+PLA i AR816+IB+EUD. Materiały
'
zawierające PEG i PLU, ze względu na najbardziej ujemne wartości parametru  23
powinny charakteryzować się występowaniem silnych oddziaływań między składnikami.
Jednak profile uwalniania IB dla tych układów, wskazują na dość szybkie uwalnianie
(Rysunek 62, rozdział 11.7).
'
Na rysunku 61 zamieszczono wartości  23
dla układów AR816+IB+PEG i
AR816+IB+PLU w proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10. Dla układów z PEG wartości
parametru są bardziej ujemnie (silniejsze oddziaływania pomiędzy składnikami), niż dla
układów z mniejszą ilością polimeru i krzemionki. Materiały zawierające PLU
'
charakteryzują się słabszymi oddziaływaniami, gdyż wartości  23
są bliskie zeru, niż w
przypadku tych samych materiałów w proporcjach 1:1:1, 5:1:1, 5:1:5.
123
'
Co więcej, wartość parametru  23
zależy od stosowanego związku testowego.
Różnice w wartościach występują, gdy zdolność do oddziaływania ze związkiem testowym
'
składników układu jest odmienna. Wartość  23
wykorzystano do pogrupowania
materiałów hybrydowych pod względem aktywności. Materiały hybrydowe wykazujące
silniejsze oddziaływania między składnikami, czyli te dla których znaleziono niższe
'
wartości  23
, zostały uznane za bardziej aktywne. Z analizy wykresów wynika, że większą
aktywnością charakteryzują się układy zawierające PEG i PLU, natomiast mniejsze
'
wartości  23
i mniejsza aktywność materiałów występuje dla materiałów z PLA i EUD.
Biorąc pod uwagę proporcje użytych składników w układzie, bardziej aktywne materiały
wydają się być w stosunku 5:1:1 oraz 5:1:5, niż 1:1:1.
'
dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLU,
AR816+IB+PLA, AR816+IB+EUD w proporcji 5:1:5
124
'
dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLU, AR816+IB+PLA, AR816+IB+EUD w różnych
proporcjach wagowych
125
'
dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLU, w
proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10
126
12.7. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej z materiałów
hybrydowych w warunkach in vitro
Substancje lecznicze o przedłużonym uwalnianiu muszą spełniać odpowiednie
kryteria. Wymaga się, aby substancja aktywna w takich postaciach była skuteczna i
bezpieczna, wykazywała określoną zależność między dawką a efektem terapeutycznym
(najbardziej pożądana - zależność liniowa). Dodatkowo po podaniu leku, efekt
terapeutyczny powinien być co najmniej porównywalny do efektu uzyskanego przy
konwencjonalnej formie leku, przy jednoczesnym zmniejszeniu działań niepożądanych.
Szybkość procesu uwalniania substancji leczniczych, z wybranych materiałów
hybrydowych w warunkach in vitro, oceniono na podstawie ilości uwolnionego ibuprofenu
do buforu fosforanowego o pH 7,2. Wyniki badań zestawiono w tabeli 15 i graficznie
zaprezentowano na rysunku 62. Ilość uwalnianego IB dla układów AR816+IB+PLU i
AR200+IB+PLU w proporcji 5:1:5 nie wyznaczono, ze względu na wysokie zmętnienie
buforu. To samo zjawisko występowało w przypadku układów w proporcjach 10:1:2,
10:1:5 i 10:1:10.
Wyniki rozpuszczania (tabela 15) wykazują są w większości przypadków
powtarzalne - średnie odchylenie standardowe SD < 10%. Na rysunku 62 a) i b) dla
układów AR816/200+IB występuje niekorzystny tzw. "burst" efekt, co oznacza, że ponad
60% dawki leku zostało uwolnione w pierwszych 15 minutach. Ten efekt był niezależny
od rodzaju krzemionki i użytych proporcji krzemionki do ibuprofenu. Użycie
hydrofilowych polimerów (PEG i PLU) nie zredukowało początkowego efektu "burst".
Zmniejszenie tego efektu i bardziej ciągły profil uwalniania otrzymano w przypadku
układów z PLA i EUD. Może być to związane z właściwościami użytych polimerów. PEG
i PLU są hydrofilowymi, rozpuszczalnymi w wodzie polimerami i dla układów z tymi
polimerami uwalnianie IB było bardzo szybkie, w porównaniu z PLA i EUD. Co ciekawe,
przedłużone uwalnianie zaobserwowano dla układów z PLA i EUD w proporcjach 1:1:1 i
5:1:5. Wysokie początkowe stężenie uwalnianego IB, obserwuje się dla tych układów w
proporcji 5:1:1 (Rysunek 62_d)). Prawdopodobnie jest to związane z aktywnością
materiału. Materiały hybrydowe zawierające poszczególne składniki w stosunku 5:1:1
mają większą aktywność, na co wskazuje wysoka wartość składowej dyspersyjnej
swobodnej energii powierzchniowej (Tabela 14, rozdział 11.6.1)
oraz
wielkość
oddziaływań pomiędzy substancją aktywną a nośnikiem, wyrażona przez parametr FloryHugginsa (rozdział 11.6.4). Układy hybrydowe, których wartość parametru Flory127
Hugginsa
zawierała
się
w
okolicach
zera
charakteryzowały
się
silniejszymi
oddziaływaniami i przedłużonym profilem uwalniania IB.
Po obliczeniu parametru Florry-Huggins'a dla materiałów hybrydowych trójskładnikowych oraz skorelowaniu z badaniami in vitro zauważono, że podstawowe
'
założenie: bardziej ujemna wartość parametru  23
może wskazywać na silniejsze
oddziaływania między składnikami, większą aktywność i przedłużone uwalnianie powinno
zostać zmodyfikowane. Ostatecznie dla układów złożonych - trójskładnikowych, wartość
'
parametru  23
wynosząca zero lub przyjmująca lekko dodatnie wartości, może wskazywać
na silniejsze oddziaływania między składnikami i przedłużone uwalnianie substancji
aktywnej.
Tabela 15. Procentowa ilość ibuprofenu uwolnionego z układów hybrydowych w odpowiednich
odstępach czasowych przy pH 7,2 (średnia ± SD, n=3).
Układ hybrydowy
Ilość uwolnionego ibuprofenu [%]
5 min
15 min
30 min
1h
2h
4h
6h
IB
34,9 ± 2,3
73,9 ± 4,5
83,2 ± 2,5
88,1 ± 1,2
92,1 ± 2,6
92,3 ± 1,4
88,2 ± 0,9
AR816+IB (1:1)
30,2 ± 4,8
58,0 ± 10,8
74,0 ± 6,6
82,7 ± 6,8
88,2 ± 5,0
91,1 ± 4,0
92,7 ± 3,1
AR200+IB (1:1)
31,9 ± 3,6
59,0 ± 5,1
70,3 ± 2,0
74,9 ± 2,2
75,8 ± 3,7
77,3 ± 4,0
78,9 ± 5,0
AR816+IB (5:1)
51,8 ± 1,9
75,2 ± 6,2
83,3 ± 1,8
89,1 ± 2,5
91,6 ± 0,9
92,0 ± 2,3
93,0 ± 2,9
AR200+IB (5:1)
49,9 ± 6,4
73,3 ± 2,9
84,3 ± 3,0
89,2 ± 3,7
90,1 ± 6,2
91,1 ± 6,7
92,5 ± 6,4
AR816+IB+PEG (1:1:1)
30,2 ± 1,4
62,9 ± 1,7
80,5 ± 0,5
85,7 ± 0,5
88,1 ± 1,2
88,5 ± 1,0
89,0 ± 0,7
AR816+IB+PLU (1:1:1)
23,9 ± 1,2
61,3 ± 2,4
80,9 ± 2,8
87,6 ± 2,6
92,2 ± 2,4
97,0 ± 3,3
100,8 ± 1,6
AR816+IB+PLA (1:1:1)
18,8 ± 2,8
21,5 ± 1,9
28,2 ± 3,4
38,4 ± 3,3
51,0 ± 2,4
65,0 ± 1,7
70,3 ± 1,6
AR816+IB+EUD (1:1:1)
14,1 ± 1,7
21,3 ± 3,4
28,3 ± 4,5
38,1 ± 5,4
49,3 ± 7,2
61,1 ± 9,3
66,3 ± 8,2
AR816+IB+PEG (5:1:1)
46,3 ± 5,2
57,5 ± 3,6
62,6 ± 2,2
67,4 ± 2,1
72,5 ± 2,1
76,6 ± 4,5
79,7 ± 7,4
AR816+IB+PLU (5:1:1)
47,7 ± 5,5
76,2 ± 5,6
87,4 ± 4,9
90,9 ± 7,0
92,7 ± 5,7
95,6 ± 7,2
94,8 ± 7,0
AR816+IB+PLA (5:1:1)
36,6 ± 5,8
63,9 ± 13,8
70,9 ± 5,7
75,7 ± 6,4
77,2 ± 6,4
78,7 ± 5,6
78,7 ± 5,8
AR816+IB+EUD (5:1:1)
43,3 ± 3,7
68,0 ± 3,2
74,1 ± 6,4
78,1 ± 7,9
80,1 ± 8,2
81,8 ± 8,2
82,1 ± 8,3
AR816+IB+PEG (5:1:5)
42,9 ± 4,3
65,5 ± 3,2
75,8 ± 5,0
80,6 ± 6,0
82,9 ± 6,6
84,8 ± 6,5
87,3 ± 6,2
AR816+IB+PLA (5:1:5)
9,5 ± 1,0
16,5 ± 1,6
23,9 ± 2,0
33,0 ± 3,2
43,3 ± 1,9
53,2 ± 1,7
56,4 ± 2,3
AR816+IB+EUD (5:1:5)
17,6 ± 0,5
31,7 ± 1,2
38,4 ± 1,2
43,1 ± 2,8
45,5 ± 2,6
48,5 ± 3,4
49,9 ± 3,6
AR200+IB+PEG (5:1:5)
34,4 ± 1,5
66,8 ± 5,0
80,0 ± 0,8
84,1 ± 1,6
86,3 ± 1,3
87,0 ± 0,9
87,8 ± 0,5
AR200+IB+PLA (5:1:5)
11,9 ± 0,6
23,1 ± 1,5
33,6 ± 1,4
45,0 ± 2,0
55,4 ± 1,6
61,4 ± 1,0
64,8 ± 2,0
AR200+IB+EUD (5:1:5)
9,6 ± 7,7
20,5 ± 10,1
27,9 ± 12,9
34,9 ± 17,8
44,8 ± 17,2
53,8 ± 16,2
58,8 ± 14,1
128
b)
100
80
60
40
IB
AR816+IB (1:1)
AR200+IB (1:1)
20
Ilość ulolnionego ibuprofenu [%]
a)
100
80
60
40
IB
AR816+IB (5:1)
AR200+IB (5:1)
20
0
0
0
15
30
45
60
120
240
0
360
15
30
45
120
240
360
Czas[min]
Czas [min]
c)
120
d)
120
100
80
60
IB
AR816+IB+PEG (1:1:1)
AR816+IB+PLU (1:1:1)
AR816+IB+PLA (1:1:1)
AR816+IB+EUD (1:1:1)
40
20
60
100
80
60
IB
AR816+IB+PEG (5:1:1)
AR816+IB+PLU (5:1:1)
AR816+IB+PLA (5:1:1)
AR816+IB+EUD (5:1:1)
40
20
0
0
0
15
30
45
60
120
240
360
0
15
30
Czas [min]
45
60
120
240
360
Czas [min]
e)
100
80
60
IB
AR816+IB+PEG (5:1:5)
AR816+IB+PLA (5:1:5)
AR816+IB+EUD (5:1:5)
AR200+IB+PEG (5:1:5)
AR200+IB+PLA (5:1:5)
AR200+IB+EUD (5:1:5)
40
20
0
0
15
30
45
60
120
240
360
Czas [min]
Rysunek 62. Profile uwalniania IB z układu AR-IB w proporcji w/w: a) 1:1, b) 5:1 oraz
układów AR-IB-polimer (PEG, PLU, PLA, EUD) w proporcjach c) 1:1:1, d) 5:1:1, e)
5:1:5.
129
Dane pochodzące z badań in vitro posłużyły do wyznaczenia różnych modeli
kinetycznych, w celu analizy kinetyki i mechanizmu uwalniania leku. Wyniki zestawiono
w tabeli 16. We wszystkich przypadkach, wyższe współczynniki korelacji otrzymano dla
log z ilości uwalnianego ibuprofenu [%] od czasu (model kinetyczny pierwszego rzędu), w
porównaniu do całkowitego uwolnionego ibuprofenu [%] od czasu (model kinetyczny
zerowego rzędu). To wskazuje, że uwalnianie zachodzi raczej według kinetyki pierwszego
rzędu, gdzie szybkość absorpcji i eliminacji substancji aktywnej zależy od stężenia. Stała
szybkości uwalniania (k1) została obliczona dla wszystkich profili (tabela 16).
Dla prawie wszystkich układów hybrydowych, najwyższy współczynnik korelacji
występuje w modelu Korsmeyer-Peppas'a. Model ten został użyty do zbadania
mechanizmu uwalnianego ibuprofenu, gdzie z nachylenia krzywej można wyznaczyć
współczynnik dyfuzji "n". Jeśli wartość współczynnika "n" wynosi poniżej 0,5, to
substancja aktywna jest uwalniana z polimerowej matrycy przez mechanizm dyfuzji Ficka.
Natomiast anomalna dyfuzja występuje, jeśli wartość współczynnika zawiera się pomiędzy
0,5 a 1. Jak widać w tabeli 16, wartość współczynnika n jest poniżej 0,5, co wskazuje na
uwalnianie zgodne z mechanizmem dyfuzji Ficka. Tylko dla dwóch układów hybrydowych
(AR816+IB+PEG 1:1:1 i AR816+IB+PLU 1:1:1), wartość współczynnika n jest nieco
wyższa od 0,5, co sugeruje, że proces dyfuzji nie jest zgodny z dyfuzją Ficka. Dla
niektórych materiałów hybrydowych (AR816+IB+PLA 1:1:1 i AR816+IB+EUD 1:1:1)
wykresy modelu Higuchiego wygazują dobrą liniowość, co oznacza, że uwalnianie
ibuprofenu jest proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z czasu.
130
Tabela 16. Wyniki badań kinetycznych uwalnianego IB z układów hybrydowych (R współczynnik korelacji; k1 - stała szybkości uwalniania pierwszego rzędu; n - współczynnik
dyfuzji)
Układ hybrydowy
Model kinetyczny
Zerowego rzędu
Pierwszego rzędu
Higuchi
Korsmeyer-Peppas
R
R
k1(h-1)
R
R
n
AR816+IB (1:1)
0,6975
0,8621
0,3826
0,8325
0,9919
0,5085
AR200+IB (1:1)
0,6056
0,6930
0,1982
0,7346
0,9837
0,4519
AR816+IB (5:1)
0,6037
0,7692
0,3268
0,7584
0,9827
0,2714
AR200+IB (5:1)
0,6118
0,7494
0,3217
0,7422
0,9911
0,2979
AR816+IB+PEG (1:1:1)
0,5848
0,6965
0,3122
0,7208
0,9889
0,5591
AR816+IB+PLU (1:1:1)
0,6839
0,9235
0,8280
0,8029
0,9847
0,6973
AR816+IB+PLA (1:1:1)
0,9500
0,9796
0,1700
0,9917
0,9836
0,3406
AR816+IB+EUD (1:1:1)
0,9321
0,9678
0,1580
0,9871
0,9991
0,3857
AR816+IB+PEG (5:1:1)
0,8467
0,9139
0,1646
0,9332
0,9932
0,1710
AR816+IB+PLU (5:1:1)
0,5974
0,7761
0,3889
0,7287
0,9843
0,3464
AR816+IB+PLA (5:1:1)
0,5884
0,6718
0,1844
0,7196
0,9695
0,3816
AR816+IB+EUD (5:1:1)
0,6092
0,7055
0,1951
0,7370
0,9706
0,3101
AR816+IB+PEG (5:1:5)
0,6694
0,7954
0,2542
0,7906
0,9865
0,3242
AR816+IB+PLA (5:1:5)
0,9129
0,9449
0,1233
0,9779
0,9912
0,4245
AR816+IB+EUD (5:1:5)
0,7410
0,7831
0,0843
0,8528
0,9179
0,2198
AR200+IB+PEG (5:1:5)
0,5797
0,6970
0,2844
0,7130
0,9821
0,4837
AR200+IB+PLA (5:1:5)
0,8559
0,9069
0,1553
0,9441
0,9788
0,4294
AR200+IB+EUD (5:1:5)
0,9084
0,9482
0,1329
0,9745
0,9794
0,4045
12.8. Analiza chemometryczna
Do interpretacji wyników zastosowano metodę analizy składowych głównych.
Analiza składowych głównych pomoże w odnalezieniu układów hybrydowych, których
parametry uzyskane z IGC i najbardziej dopasowany model kinetyczny uwalnianego IB
wykazują największe podobieństwa lub różnice. Utworzono macierz, w której
przypadkami były układy hybrydowe, a zmiennymi wartości parametrów  SD , KA, KD oraz
współczynników korelacji R badań kinetycznych. Współczynnik korelacji R wskazuje na
najlepsze dopasowanie do danego modelu kinetycznego, jednak jak wspomniano w
rozdziale 11.7, nie dla wszystkich układów hybrydowych możliwe było przeprowadzenie
badań in vitro. W tabelach 17 i 18 zestawiono akronimy przypadków i zmiennych przyjęte
131
w analizie
chemometrycznej. Analiza składowych głównych polega na wyznaczeniu
nowych zmiennych (składowych głównych), które są kombinacją liniową zmiennych
pierwotnych. Każda składowa główna jest opisana przez wartość własną, która informuje o
tym, jaka część całkowitej zmienności jest wyjaśniona przez daną składową. Wartości
zmiennych zostały wstępnie poddane standaryzacji. Aby określić dokładną liczbę
składowych głównych, na których będzie się koncentrować dalsza analiza, skorzystano z
kryterium osypiska.
Tabela 17. Akronimy przypadków użytych w analizie chemometrycznej
Przypadki
Skróty
AR816+IB+PEG (1:1:1)
A1
AR816+IB+PEG (5:1:1)
A2
AR816+IB+PEG (5:1:5)
A3
AR816+IB+PLU (1:1:1)
A4
AR816+IB+PLU (5:1:1)
A5
AR816+IB+PLU (5:1:5)
A6
AR816+IB+PLA (1:1:1)
A7
AR816+IB+PLA (5:1:1)
A8
AR816+IB+PLA (5:1:5)
A9
AR816+IB+EUD (1:1:1)
A10
AR816+IB+EUD (5:1:1)
A11
AR816+IB+EUD (5:1:5)
A12
AR200+IB+PEG (5:1:5)
B1
AR200+IB+EUD (5:1:5)
B2
AR200+IB+PLA (5:1:5)
B3
AR200+IB+PLU (5:1:5)
B4
AR200+IB+PEG (10:1:2)
B5
AR200+IB+PEG (10:1:5)
B6
AR200+IB+PEG (10:1:10)
B7
AR200+IB+PLU (5:1:5)
B8
AR200+IB+PLU (10:1:2)
B9
AR200+IB+PLU (10:1:5)
B10
AR200+IB+PLU (10:1:10)
B11
132
Tabela 18. Akronimy zmiennych użytych w analizie chemometycznej
Zmienne
Skróty
 SD wyznaczona metodą
G_DG
Dorris-Gray'a
 SD wyznaczona metodą
Schultz-Laviell'a
Parametr KA
G_SL
KA
Parametr KD
KD
współczynnik korelacji R
kinetyki zerowego rzędu
kinetyki pierwszego rzędu
kinetyki Higuchi
kinetyki KorsmeyerPeppas'a
Parametr Flory-Huggins'a
'
 23
wyznaczony dla :
heksanu
heptanu
oktanu
nonanu
chloroformu
dioksanu
acetonitrylu
etanolu
octanu etylu
0rz
Irz
H
KP
C6
C7
C8
C9
CHCl3
C4H8O2
C2H3N
C2H5OH
CH3COOC2H5
Na wykresie osypiska (Rysunek 63) przedstawiono spadek wartości własnych
(procent wyjaśnionej wariancji). Punkt na wykresie w którym linia się stabilizuje lub
wartość własna spada poniżej 1 to tzw. koniec osypiska. Składowe, które znajdują się na
prawo od tego punktu reprezentują znikomą wariancję i przedstawiają losowy szum.
Uzyskane wartości własne wskazują, że cztery składowe główne w dobry sposób opisują
analizowane dane. Wartość własna dla pierwszej składowej wynosi 3,41, a procent
wyjaśnionej przez nią wariancji 42,62%, natomiast druga składowa już znacznie mniej
26,22%. Łączenie trzy pierwsze składowe wyjaśniają już 85,48% całkowitej wariancji.
Dlatego dalszą analizę można przeprowadzić dla trzech nowych składowych, a nie ośmiu
pierwotnych.
133
Rysunek 63. Wykres osypiska
Rysunek
64
przedstawia wykresy ładunków czynnikowych, na
których
przedstawione są wektory (niebieskie linie na wykresie) reprezentujące zmienne
pierwotne. Wektory rozmieszczone są na płaszczyźnie wyznaczonej przez dwie wybrane
składowe główne. Wektory, które sięgają niemal brzegów koła są bardzo dobrze
reprezentowane przez składowe główne tworzące układ współrzędnych. Są to, na przykład,
G_DG, G_SL i H, Irz, IIrz. W przypadku projekcji zmiennych na płaszczyznę czynników
(1x2) widoczne jest duże skorelowanie współczynników korelacji R kinetyki zerowego,
pierwszego rzędu i Higuchi na co wskazuje niewielki kąt pomiędzy obrazującymi je
wektorami. Podobna zależność występuje pomiędzy  SD wyznaczoną przez Dorris-Gray'a
lub Schultz-Laviell'a. jest. Skorelowanie zmiennych G_DG i G_SL ze składowymi
tworzącymi układ jest negatywne, gdyż wektory znajdują się w III ćwiartce układu. Jednak
wyższe wartości bezwzględne końca wektora obserwowane są dla składowej drugiej niż
pierwszej. Takie ułożenie wektorów świadczy o tym, że należą do jednorodnej grupy,
której jest przedstawicielem jest druga składowa. Inny kierunek wektora obserwuje się dla
zmiennych 0rz, Irz, H, które są w niewielkim stopniu skorelowane ze zmiennymi G_DG i
G_SL, o czym świadczy kąt nachylenia, który jest bliski kątowi prostemu. Skorelowanie
134
tych wektorów z pierwszą składową jest pozytywne (IV ćwiartka układu) i wysokie, z
drugą składową negatywne i niskie. Można wnioskować, że zmienne 0rz, Irz, H są dobrze
reprezentowane przez pierwszą składową.
Na wykresie ładunków czynnikowych (1x3) zauważono również duże skorelowanie
zmiennych 0rz, Irz, H, KP - wszystkie znajdują się w IV ćwiartce układu. Jednak trzy
pierwsze zmienne są dobrze reprezentowane przez czynnik pierwszy (pierwszą składową),
natomiast zmienna KP przez trzecią składową. Dodatkowo zmienna KD jest również
dobrze reprezentowana przez trzecią składową, a jej skorelowanie z układem jest
negatywne (III ćwiartka układu). Z kolei, zmienna KA jest skorelowana dodatnio i dobrze
reprezentowana przez pierwszą składową. Pozostałe zmienne są słabo reprezentowane
przez składowe ze względu na krótsze długości wektorów.
W projekcji zmiennych na płaszczyznę czynników (2x3) brane są głównie pod
uwagę zmienne G_DG, G_SL oraz KP, KA (najdłuższe wektory). Jednak zmienne leżą w
różnych ćwiartkach układu przez co G_DG, G_SL, KA są skorelowane pozytywnie,
natomiast KP negatywnie. Zmienne KA i KP są dobrze reprezentowane przez składową
trzecią, a G_DG, G_SL przez drugą. Na podstawie wyznaczonych projekcji zmiennych na
płaszczyznę czynników wykazano, że wszystkie zmienne wykorzystane do obliczeń są
istotne.
Na rysunku 65 przedstawiono rzuty przypadków na płaszczyznę czynników wykresy stanowią serią danych rozpiętych na dwóch składowych. Serię tworzą punkty
przedstawiające poszczególne przypadki. Dodatnie współrzędne punktów wskazują na
wartość wyższą od średniej wartości składowej głównej, natomiast ujemne na wartość
niższą. Im odległość między punktami jest mniejsza, tym podobieństwo między
przypadkami jest większe Biorąc pod uwagę składowe główne zaobserwowano grupy
przypadków o największym stopniu podobieństwa: B2, B3, A7, A9, A10 oraz A1, B1 i A3,
A11, które w większym stopniu są skorelowane ze składową pierwszą,. W przypadku
drugiej składowej również widoczne są grupy z przypadkami o dużym stopniu
podobieństwa: A7, A9, B3; A1, B1 oraz B2, A5, A10, które dodatkowo wykazują również
wysoką korelację ze składową trzecią. Niezależnie od projekcji, niektóre materiały
wykazują nieco inne zachowanie, nie należą do żadnej grupy: A2, A8, A12.
135
Rysunek 64. Wykres ładunków czynnikowych.
136
Rysunek 65. Rzuty przypadków na płaszczyznę czynników (1x2, 1x3, 2x3)
137
Aby pogrupować układy hybrydowe zastosowano również analizę skupień, której
celem jest ułożenie obiektów (przypadków) w taki sposób, aby stopień powiązania
obiektów z obiektami należącymi do tej samej grupy był jak największy, a z obiektami z
pozostałych grup jak najmniejszy. Aglomeracja obiektów odbywa się na podstawie
odległości między obiektami w przestrzeni wielowymiarowej. Zastosowano odległość
euklidesową jako odległość między obiektami, natomiast metodę Warda jako zasadę
łączenia obiektów. Metoda ta wykorzystuje analizę wariancji, zmierzającą do
minimalizacji sumy kwadratów odchyleń dowolnych dwóch skupień. Do oceny ilości
istotnych skupień zastosowano kryterium Sneatha. Kryterium to zakłada możliwość
zastosowania dwóch poziomów w celu ustalenia istotnych skupień: 33 i 66%. Na rysunku
66 przedstawiono diagram drzewa na którym, według mniej restrykcyjnego kryterium
<66% otrzymano dwa skupiska, z których jedno zawiera: B2, A10, B3, A9, A7. Natomiast
wg bardziej restrykcyjnego kryterium poniżej 33% wyróżniono dodatkowe skupienia: A2,
A8 i A11, A12 oraz A1, A3, A4, A5, B1. Podobne tendencje w grupowaniu przypadków
występowały w analizie składowych głównych.
Rysunek 66. Diagram drzewa (dendogram)
138
Analiza wykresów (zarówno z analizy składowych głównych jak i analizy skupień)
wskazuje na wysoki stopień podobieństwa pomiędzy układami hybrydowymi, ze względu
na parametry powierzchniowe i współczynnikiem korelacji modelu kinetycznego. Można
zaproponować zastąpienie danego materiału hybrydowego przez inny, będący w tym
samym skupieniu. Dzięki temu możliwa była selekcja różnych układów mających takie
same lub podobne właściwości. Analizę składowych głównych wykorzystano również do
znalezienia podobieństw w układach hybrydowych (przypadkach), biorąc pod uwagę
parametr Flory-Huggins'a (zmienne). Parametr ten jest uzależniony od zastosowanego
związku testowego, dlatego analiza posłużyła do oceny zależności pomiędzy wartością
'
parametru  23
a związkiem testowym. W związku z powyższym, utworzono macierz,
'
która zawierała wartości parametru  23
dla poszczególnych związków testowych
zawartych w Tabeli 18, dla wszystkich układów hybrydowych.
Na wykresie osypiska (Rysunek 67), wartości własne wskazują, że trzy składowe
główne zadowalająco opisują zmienność wartości parametru Flory-Huggins'a. Trzy
pierwsze składowe główne wyjaśniają już 80% całkowitej wariancji, z czego połowę
stanowi pierwsza składowa główna.
Rysunek 67. Wykres osypiska
139
Rysunek 68. Wykres ładunków czynnikowych.
140
Na rysunku 68 przedstawiono wykresy ładunków czynnikowych, w przypadku
dwóch pierwszych czynników (66% całkowitej wariancji), kąt pomiędzy wektorami
'
obrazującymi parametr  23
dla CHCl3, C7, C4H8O2, C2H5OH oraz C2H3N, C6, C8,
CH3COOC2H5, C9, jest niewielki, co świadczy o ich dużym skorelowaniu. Skorelowanie
tych zmiennych jest negatywne - ich wektory znajdują się w II i III ćwiartce układu. Dla
większości zmiennych, wyższe wartości końca wektora zaobserwowano dla pierwszej
składowej, jednie wektory dla C4H8O2, C2H5OH wykazują wyższe wartości dla drugiej
składowej. Długość wektorów dla poszczególnych zmiennych wskazuje na to, że są dobrze
reprezentowane przez składowe.
Na wykresie ładunków czynnikowych (1x3) skorelowanie zmiennych także jest
negatywne, gdzie większość z nich jest reprezentowana przez pierwszą składową. C7 i
C4H8O2 reprezentowane są przez trzecią składową. Biorąc pod uwagę długość wektora,
składowe najlepiej reprezentują zmienne: C6, C8, C7, CHCl3, CH3COOC2H5.
W projekcji zmiennych na płaszczyznę czynników (2x3), zmienne znajdują się we
wszystkich ćwiartkach układu. Jednak większość z nich reprezentowana jest przez drugą
składową, a jedynie C6, C7, CHCl3 przez trzecią. Zmienne: C6, C7, CHCl3, C4H8O2,
C2H5OH są najlepiej reprezentowane przez składowe, a ich wektory znajdują się najbliżej
brzegów koła.
Rysunek 69 zawiera rzuty przypadków na płaszczyznę czynników - pogrupowanie
materiałów hybrydowych doprowadziło do wyselekcjonowania tylko jednego skupiska,
niezależnie od projekcji (1x2, 1x3 czy 2x3). W każdej z nich pojawiły się następujące
układy: A1, A2, A9, A11, A12, B1, B2, B4, które wykazywały między sobą największe
podobieństwo. Dodatkowo zauważono, że na wykresach niektóre przypadki nie ulegały
grupowaniu i stanowiły osobne indywidua (A5, A7, A10, B5, B8, B10), charakteryzowały
się więc różną wielkością oddziaływań pomiędzy składnikami układu.
Co więcej, możliwe było zredukowanie ilości związków testowych, stosowanych
do wyznaczania parametru Flory-Huggins'a. W tym celu wykonano między innymi
diagram drzewa (Rysunek 70), na którym związki testowe zostały pogrupowane ze
względu na duży stopień podobieństwa. Wartości parametru Flory-Hugginsa dla C6, C7,
C8, C9 wskazują na wysokie podobieństwo, jak również CHCl3, C4H8O2 oraz
CH3COOC2H5 i C2H3N (zastosowano kryterium Sneatha <33%). Wobec tego, spośród
zastosowanych związków testowych można było wybrać przedstawiciela (rozdział 13).
Analogiczne zależności zauważono na wykresach ładunków czynnikowych (Rysunek 68),
141
w których występował wysoki stopień podobieństwa pomiędzy zmiennymi i przejawiał się
małym kątem pomiędzy wektorami poszczególnych zmiennych.
Rysunek 69. Rzuty przypadków na płaszczyznę czynników
142
Rysunek 70. Diagram drzewa
143
Materiały hybrydowe zostały również pogrupowane poprzez zastosowanie analizy
skupień (Rysunek 71). Największy stopień powiązania obiektów z obiektami należącymi
do tej samej grupy występował dla układów: A1, A2, A3, A8, A9, A12, B1, B2, B4, przy
zastosowaniu kryterium Sneatha <33%. Jeśli zastosuje się mniej restrykcyjne kryterium
(<66%) skupisko powiększa się dodatkowo o obiekty: A4, A5, A6, A11, B3, B6, B7.
Osobne skupisko tworzą układy A7, A10, B8, B9, B10 i pojedynczy obiekt B5.
13. Powtórna charakterystyka oddziaływań substancja aktywna-nośnik
Biorąc pod uwagę, że wyniki analizy chemometrycznej wskazują na wystarczający
opis zdolności do oddziaływań substancja aktywna-nośnik z wykorzystaniem jedynie
czterech związków testowych, postanowiono dokonać powtórnej analizy wpływu budowy
'
układu hybrydowego na wartość parametru  23
.
W związku z powyższym, utworzono macierz, która zawierała wartości parametru
'
 23
dla czterech związków testowych: oktanu, chloroformu, octanu etylu i etanolu dla
wszystkich układów hybrydowych. Pogrupowanie materiałów hybrydowych doprowadziło
do wyselekcjonowania jednego skupiska, niezależnie od projekcji (1x2, 1x3 czy 2x3).
Skupisko zawierało te same układy hybrydowe, jak w przypadku zastosowania wszystkich
związków testowych (Rysunek 72). Mianowicie, w każdej projekcji pojawiły się
następujące układy: A1, A2, A9, A11, A12, B1, B2, B4, które wykazywały między sobą
największe podobieństwo. Dodatkowo zauważono, że na wykresach niektóre przypadki nie
ulegały grupowaniu i stanowiły osobne indywidua (A5, A7, A10, B5, B8, B10),
charakteryzowały się więc różną wielkością oddziaływań pomiędzy składnikami układu.
Przy ponownym zastosowaniu analizy skupień (Rysunek 73) wyselekcjonowano
następujące grupy materiałów hybrydowych: A1, A2, A3, A8, A9, B1, B2, B4 oraz A7,
A10, A11, A12, B3, B7, B8, B9, B10, które uległy pogrupowaniu w taki sam sposób, jak
przy użyciu dziewięciu zmiennych.
Reasumując, nie ma potrzeby użycia wszystkich związków testowych do
charakterystyki materiałów hybrydowych. Wybrane cztery związki testowe dostarczają
wystarczającego opisu zdolności do oddziaływań substancja aktywna-nośnik. Powtórna
analiza składowych głównych i analiza skupień doprowadziła do pogrupowania układów
hybrydowych w taki sam sposób, jak przy użyciu dziewięciu związków testowych.
144
Rysunek 72. Rzuty przypadków na płaszczyznę czynników
145
146
14. Charakterystyka nośników do ubytków kostnych
Materiały hydroksyapatytowe wykorzystywane do tworzenia scaffoldów (opisane
w rozdziale 9.1) zostały poddane modyfikacjom i scharakteryzowane w rozprawie
doktorskiej (Magdaleny Szubert) wykonanej w Instytucie Technologii i Inżynierii
Chemicznej. Materiały te były modyfikowane różnymi polimerami głównie z grupy
materiałów resorbowalnych, degradowalnych, biokompatybilnych i nietoksycznych.
Obecność modyfikatora chemicznie związanego z warstwą wierzchnią biomateriału została
potwierdzona
za
pomocą
różnych
metod
spektroskopowych:
spektroskopia
w
podczerwieni (FT-IR oraz ATR), Ramana oraz fotoelektronów (XPS). Materiały poddano
ocenie właściwości takich jak: bioaktywność, biostabilność oraz degradowalność.
W niniejszej pracy materiały te zbadano metodą odwróconej chromatografii
gazowej, kąta zwilżania oraz sprawdzono możliwości zastosowania otrzymanych
modyfikatów jako nośników substancji aktywnej (ibuprofenu). Badania te są
rozszerzeniem i uzupełnieniem badań przedstawionych w dysertacji Magdaleny Szubert.
materiałów hydroksyapatytowych
Wartość składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej pozwala
określić aktywność powierzchniową badanego ciała stałego. Składowa dyspersyjna została
wyznaczona za pomocą metody Schultza–Lavielle'a (równanie 17), a wartości parametrów
a oraz  LD dla alkanów, potrzebne do obliczenia parametru  SD zestawiono w tabeli 7
(rozdział 10.1).
Większość badanych materiałów (Rysunek 74) ma wartość składowej dyspersyjnej
swobodnej energii powierzchniowej w zakresie 30-50 mJ/m2, co jest charakterystyczne dla
materiałów o średniej aktywności. Wartości  SD były mniejsze dla materiałów: TCP, TCPLLA oraz HA-LLA - wartości typowe dla mało aktywnych materiałów. Wynika to z różnic
w budowie HA i TCP. Średnia masa cząsteczkowa HA jest dużo większa niż TCP, co jest
związane z większą ilością miejsc aktywnych na powierzchni materiału, do których
ibuprofen ma dostęp, zatem jego aktywność również jest większa. Można zauważyć, że
materiał HA-TCP-PEG jest materiałem o największej aktywności, spośród badanych
materiałów.
147
Na rysunku 75 przedstawiono wartości  SD dla badanych materiałów z IB w proporcjach
4:1, 3:1 oraz 2:1, co było związane z ilością IB jaką impregnowano scaffold. Proporcja 4:1
odpowiada pastylce (PS), 3:1 - scaffoldowi o porowatości 80% (SC80) i 2:1 scaffoldowi o
porowatości 50% (SC50). Aktywność materiałów na bazie HA po ich impregnacji
ibuprofenem niewiele się zmieniła, pozostała w zakresie średniej aktywności, natomiast
aktywność materiałów z TCP wzrosła, ale nadal mieści się w zakresie materiałów średnio
aktywnych. Sam ibuprofen jest materiałem o średniej aktywności, wartość jego  SD wynosi
45,2 mJ/m2. Powierzchnia właściwa HA jest większa niż TCP, co wiąże się z tym, że HA
posiada więcej aktywnych miejsc zdolnych przyjąć cząsteczki ibuprofenu. Aktywność
większości materiałów hydroksyapatytowych po impregnacji IB spada, co jest wynikiem
blokowania niektórych centrów aktywnych. Chemiczna modyfikacja materiałów
ceramicznych przez polimer, dostarcza także nowe grupy powierzchniowe, które również
są zdolne przyjąć cząsteczki IB. W niektórych przypadkach może jednak zajmować
dostępne centra aktywne, a przez to zmniejszyć jego dostępną powierzchnię. Ze względu
na niewielką powierzchnię właściwą TCP, prawdopodobnie po impregnacji IB większość
miejsc aktywnych zastało zajęte przez cząsteczki IB, przez co materiał pod względem
aktywności stał się podobny do substancji aktywnej.
Rysunek 74. Wartości parametru  SD dla materiałów wyjściowych
148
Rysunek 75. Wartości parametru  SD dla badanych materiałów z ibuprofenem
14.1.2. Składowa specyficzna swobodnej energii powierzchniowej jako miara kwasowozasadowych właściwości powierzchni materiałów hydroksyapatytowych
Składową specyficzną swobodnej energii powierzchniowej wyznaczono zgodnie z
teorią Good-van Oss (wg. równań (21-23)). Do określenia kwasowo-zasadowych
właściwości powierzchni badanych materiałów niezbędne było zastosowanie danych
retencyjnych dwóch polarnych związków testowych: octanu etylu (zasady Lewisa) oraz
chloroformu (kwasu Lewisa). Wartości a ,  l ,  l potrzebne do wyznaczenia składowych:
 S ,  S dla danych związków testowych zestawiono w tabeli 19.
Tabela 19. Wartości a ,  l ,  l dla chloroformu i octanu etylu [219]
 l
 l
Związek
testowy
a  10 19
[m²]
[mJ/m ]
[mJ/m ]
Chloroform
4,4
1,5
0,0
octan etylu
3,3
0,0
6,2
2
Charakter
2
akceptor
elektronów
donor elektronów
Wartości składowych  S ,  S dla materiałów wyjściowych oraz materiałów z IB w
proporcji 4:1 zostały przedstawione na rysunku 76. Materiały wyjściowe (HA i TCP)
charakteryzują się zasadową powierzchnią, ze względu na większą wartość składowej  S
149
niż  S . Jest to związane z występowaniem licznych grup O posiadających wolne pary
elektronowe (akceptory elektronów). Dodatkowo zdecydowanie większą zasadowość
powierzchni zaobserwowano dla HA niż TCP, co z kolei jest związane z większą ilością
grup funkcyjnych na powierzchni
które są zdolne przyjąć cząsteczki ibuprofenu.
Natomiast, materiały związane chemicznie z LLA lub PLA charakteryzują się
powierzchnią kwasową (większa wartość  S ), co jest powiązane z obecnością grup
karboksylowych. Po impregnacji IB obserwuje się wyraźny wzrost wartości parametru  S ,
jednak w materiałach o silnym zasadowym charakterze powierzchni (HA-PHB oraz HATCP-PEG),  S również wzrasta. Analogiczna zależność występuje dla układów w różnych
proporcjach wagowych (Rysunek 77). Wraz ze wzrostem ilości ibuprofenu w układzie
wartość parametru  S rośnie, jest to jednak nieznaczny przyrost. Układy HA-PHB+IB
oraz HA-TCP-PEG+IB po impregancji ibuprofenem nie zmieniły charakteru powierzchni,
pozostają zasadowe mimo niewielkiego spadku wartości parametru  S .
Rysunek 76. Wartości parametrów  S ,  S materiałów wyjściowych i układów z IB w
proporcji 4:1 (PS)
150
Rysunek 77. Wartości parametrów  S ,  S badanych materiałów z IB w proporcji
4:1 (PS), 3:1 (SC80) i 2:1 (SC50)
Co więcej, wartości parametrów  S ,  S wyznaczono dla układu HA+IB, który
został pokryty polimerem (PEG/PLA/EUD). We wszystkich proporcjach wagowych,
wartości parametrów są zbliżone do siebie (Rysunek 78). W układach z PEG powierzchnia
wykazuje charakter zasadowy, natomiast z PLA i EUD kwasowy (większa wartość  S ).
Ilość użytego polimeru w układzie jest taka sama co substancji aktywnej, jednak
wystarczyła aby układ przyjął charakter danego polimeru.
Rysunek 78. Wartości parametrów  S ,  S badanych materiałów pokrytych polimerem
151
14.1.3. Swobodna energia powierzchniowa materiałów hybrydowych
Na rysunku 79 przedstawiono wartości swobodnej energii powierzchniowej, która
jest sumą składowej dyspersyjnej i specyficznej. Wyższe wartości  S ,  S dla badanych
układów, wpływają na większą wartość  SSP . Udział składowej specyficznej w swobodnej
energii powierzchniowej jest większy niż dyspersyjnej. Ponadto wartości  S dla układów
HA-PHB+IB, HA-TCP-PEG+IB oraz TCP+IB są większe, niż dla pozostałych układów.
Dla układów, które były pokrywane polimerem (Rysunek 80), również zauważono
większy udział składowej specyficznej (zdolność do oddziaływań kwasowo-zasadowych).
Pod względem całkowitej energii powierzchniowej największe wartości uzyskano dla
układu HA+IB+PEG. Biorąc pod uwagę proporcje materiałów, wartości całkowitej energii
powierzchniowej niewiele się od siebie różniły.
Rysunek 79. Wartości  SSP ,  SD dla badanych układów z IB w proporcjach 4:1 (PS), 3:1
(SC80) i 2:1 (SC50)
152
Rysunek 80. Wartości  SSP ,  SD dla układów pokrytych polimerem w proporcjach 4:1 (PS),
3:1 (SC80) i 2:1 (SC50)
14.1.4. Praca adhezji
Aby określić siłę adhezji pomiędzy składnikami w układach hybrydowych
oszacowano wartości pracy adhezji na podstawie równania (18), a jej poszczególne
składowe wyznaczono z równań (19) i (20). Rysunek 81 przedstawia wartości tych
parametrów dla układów w proporcjach 4:1 (PS), 3:1 (SC80) i 2:1 (SC50). We wszystkich
układach, najmniejszy udział w pracy adhezji wykazuje składowa dyspersyjna pracy
adhezji WaD . Akceptorowo-donorowe oddziaływania pomiędzy ibuprofenem a nośnikiem
wpływają najsilniej na adhezję, dla układów, które były dodatkowo pokryte polimerem
(HA+IB+PEG/PLA/EUD), o czym świadczy większa wartość WaS . Biorąc pod uwagę
proporcję poszczególnych składników w układach, wartość pracy adhezji praktycznie nie
zmieniała się. Pośród materiałów niepowlekanych polimerem, a zmodyfikowanych
chemicznie, największą adhezję wykazywały materiały: TCP+IB, HA-TCP-PEG+IB i HAPHB+IB.
153
Rysunek 81. Wartości WaS ,WaD ,Wa dla układów hybrydowych w proporcji 4:1(PS), 3:1
(SC_80) i 2:1 (SC_50)
14.1.5. Parametr Flory-Hugginsa
Wielkość oddziaływań pomiędzy substancją aktywną a nośnikiem oszacowano na
'
'
podstawie wartości parametru  23
. Parametr  23
został obliczony wykorzystując
równanie (28). Wartość tego parametru jest zależna od związku testowego. Im większe
zróżnicowanie w aktywności składników układu złożonego, tym większe różnice
'
występują w wartościach parametru  23
. Jeśli wartość parametru jest ujemna, wskazuje to
na silniejsze oddziaływanie między składnikami i większą aktywność układu.
Zaobserwowano, że najmniejsze zróżnicowanie w wartościach parametru występuje
pomiędzy związkami testowymi: heksan, heptan, oktan i nonan; octan etylu i acetonitryl
oraz
dichlorometan
i
dioksan,
dlatego
wyniki
przedstawiono
dla
wybranych
przedstawicieli związków testowych (rysunki 82, 83). Na rysunku 82 przedstawiono
'
wartości  23
dla układów hybrydowych z IB w proporcjach 4:1(PS), 3:1 (SC80) i 2:1
(SC50). Najbardziej ujemne wartości parametru Flory-Hugginsa posiadają układy: HA+IB,
HA-PLA+IB, HA-PHB+IB i TCP+IB, stąd oddziaływania i zróżnicowanie aktywności
154
pomiędzy składnikami wydają się być dla nich najsilniejsze. Ponadto, dla wszystkich
układów z wyjątkiem HA+IB i TCP-LLA+IB, silniejsze oddziaływania występują w
'
proporcji 3:1(SC80) - niższa wartość parametru  23
. Różnice w wartościach parametru
'
 23
dla układów w proporcji 4:1(PS) i 2:1 (SC50) są niewielkie.
Parametr
Flory-Hugginsa
wyznaczono
również
dla
niemodyfikowanego
hydroksyapatytu impregnowanego ibuprofenem i pokrytego polimerem (PEG/PLA/EUD),
a graficznie wyniki zaprezentowano na rysunku 83. Dla większości układów wartość
'
parametru  23
jest dodatnia. Najmniejsze wartości dodatnie występują dla układów w
proporcji 4:1 (PS), a największe dla proporcji 2:1 (SC50). W związku z tym, wielkość
oddziaływań pomiędzy składnikami układu HA+IB+EUD (PS)
jest najsilniejsza, ze
'
względu na ujemną wartość parametru  23
. Różnice pomiędzy wartościami parametru w
układach SC50 i SC80 są niewielkie.
'
Aby sprawdzić czy podstawowe założenie (bardziej ujemna wartość parametru  23
może wskazywać na silniejsze oddziaływania między składnikami) parametru FloryHugginsa jest słuszne, skorelowano wyniki z badaniami in vitro. W myśl tej zasady, im
silniejsze oddziaływania, tym substancja aktywna powinna wykazywać przedłużone
uwalnianie. Rezultaty badań in vitro opisano w dalszej części pracy (rozdział 12.3).
155
'
dla układów hybrydowych z IB w proporcjach
4:1(PS), 3:1 (SC_80) i 2:1 (SC_50)
156
'
dla układów hybrydowych z IB pokrytych
polimerem w proporcjach 4:1(PS), 3:1 (SC_80) i 2:1 (SC_50)
157
14.2. Kąt zwilżania
Wizualną miarą zwilżalności materiału jest wartość kąta θ dla wody, która pomaga
w określeniu hydrofilowości i hydrofobowości materiału. Pomiar kąta zwilżania wykonano
dla czterech cieczy pomiarowych: octanu etylu, chloroformu, heptanu i wody
destylowanej. W tabeli 20 zestawiono zmierzone kąty zwilżania dla badanych materiałów
wyjściowych. Materiałem całkowicie zwilżalnym przez wodę jest TCP, gdyż wartość kąta
zwilżania jest równa zeru. Materiały chemicznie modyfikowane polimerem wykazują
większe wartości kąta θ, przez co są słabiej zwilżalne przez wodę. Największą wartość
kąta θ otrzymano dla HA-PHB. Aczkolwiek, wartość kąta zwilżania nie przekracza 90o, co
oznacza, że badane materiały wykazują hydrofilowy charakter. Pomiar kąta jest jednak
obarczony błędem, wynikającym z budowy powierzchni materiału i jego niejednorodności.
Potwierdzeniem tego faktu są zdjęcia SEM (Rysunek 84) wykonane dla pastylki HA oraz
TCP, na których wyraźnie obserwuje się bardziej porowatą strukturę TCP, dlatego woda
bardzo szybko jest wchłaniana. Powierzchnia HA wydaje się być mniej porowata, ale
również jest niejednorodna.
Tabela 20. Kąt zwilżania dla badanych materiałów
Badany materiał
HA
HA-LLA
HA-PLA
HA-PEG
HA-PHB
HA-TCP
HA-TCP-PEG
TCP
TCP-LLA
Kąt zwilżania θ dla wody [o]
28,6±2,1
28,7±3,1
35,2±2,2
38,9±1,8
63,2±3,4
17,1±3,2
43,1±2,5
0,00±0,2
29,9±1,2
Rysunek 84. Zdjęcia SEM dla pastylek HA i TCP
158
14.3. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej ze scaffoldów w
warunkach in vitro
Implanty z fosforanów wapnia mogą dobrze funkcjonować jako nośniki leków w
postaci scaffoldów. Po wprowadzeniu ich do ubytku kostnego wraz z lekiem pozwalają
uniknąć np. powikłań pooperacyjnych, ograniczając tworzenie się stanów zapalnych. Tego
typu problemy i zagadnienia są obecnie szeroko rozwijane, jednak nie został jeszcze
opracowany uniwersalny nośnik leku. Hydroksyapatytowe nośniki substancji aktywnych z
uwagi na swoje mineralogiczne oraz chemiczne podobieństwo do naturalnej kości, po
uwolnieniu leku nie wymagają usuwania z organizmu, a więc nie zachodzi konieczność
ponownej interwencji chirurgicznej.
Profile uwalniania ibuprofenu wykreślono na podstawie jego szybkości uwalniania
do buforu o pH 7,2 w warunkach in vitro. Uwalnianie ibuprofenu następowało z trzech
postaci: pastylki, scaffoldu o porowatości 50% i scaffoldu o porowatości 80%. Wyniki z
uwalniania IB zostały graficznie zaprezentowane na rysunkach 85-87. Dla układów:
SC80_HA-LLA+IB, SC50_HA-PHB+IB, PS/SC50/SC80_TCP+IB, SC80_TCP-LLA+IB,
nie udało się wyznaczyć profili uwalniania, ze względu na to, że po umieszczeniu
scaffoldu lub pastylki w buforze, następował całkowity rozpad nośnika.
Badanie miało na celu wykazanie różnic w szybkości i ilości uwalnianego
ibuprofenu ze scaffoldów i pastylek. Z profili uwalniania zaprezentowanych na rysunku 85
wynika, że dla wszystkich układów uwalnianie ze scaffoldów o porowatości 80% jest
większe, niż dla scaffoldów o porowatości 50%. Dodatkowo profile uwalniania z postaci
pastylek i scaffoldów o porowatości 50% są zbliżone do siebie. Dlatego zasadniczym
parametrem, który wpływa na szybkość uwalniania ibuprofenu jest porowatość scaffoldu.
Wyniki skorelowano również z wynikami otrzymanymi z IGC, dzięki czemu pogrupowano
materiały na grupy, w których zachodziły pewne podobieństwa. Do pierwszej grupy
zaliczono układy: HA-LLA+IB i TCP-LLA+IB. W materiałach tych, dla SC50 lub PS
wartość parametru Flory-Hugginsa była najmniejsza (Rysunek 82), czyli oddziaływania
między składnikami układu były najsilniejsze, przez co szybkość uwalniania IB była
najmniejsza. W drugiej grupie układów znajdowały się następujące układy: HA-PEG+IB,
HA-PLA+IB, HA-PHB+IB, w których zależności były odwrotne niż w poprzednim
'
przypadku. Najmniejsze wartości parametru  23
obserwowano dla scaffoldów o
porowatości 80%, ale szybkość uwalniania IB była największa dla tych układów. Profile
'
uwalniania dla SC50 i PS były podobne, jak również wartości parametru  23
dla tych
159
układów. Co więcej zauważono, że układy te są podobne pod względem aktywności wartości  SD niewiele się różniły (rysunek 75), co również może wpływać na uwalnianie
ibuprofenu.
Dla HA nie związanego chemicznie z polimerem (Rysunek 86), ale pokrytego
przez polimer, szybkość uwalniania substancji aktywnej jest większa ze scaffoldów o
porowatości 80%, jedynie w przypadku pokrycia przez PEG, szybkość uwalniania z
pastylek jest podobna do szybkości uwalniania z rusztowania o porowatości 80%. Ponadto,
polimerem, który najbardziej spowalnia uwalnianie ibuprofenu jest EUD, gdzie z postaci
pastylek po 3000 min, uwolniło się tylko 20% IB, co może być niekorzystnym efektem
terapeutycznym - zbyt mała dawka. Oznacza to, że dla układów pokrytych polimerem
bardziej korzystny i przedłużony profil uwalniania IB występuje dla formy scaffoldu o
porowatości 80 lub 50 %. Oprócz tego zauważono, że wartość parametru Flory-Hugginsa
była najbardziej ujemna dla układu PS_HA+IB+EUD (Rysunek 83), czyli oddziaływania
między składnikami były najsilniejsze, co przełożyło się na profil uwalniania.
Aby sprawdzić wpływ modyfikacji powierzchni biomateriałów na przebieg profilu
uwalniania substancji aktywnej, zestawiono krzywe w obrębie danej formy nośnika i
przedstawiono na rysunku 87. Zaobserwowano, że za pomocą modyfikacji warstwy
wierzchniej biomateriałów można sterować procesem uwalniania substancji aktywnej. Dla
wszystkich scaffoldów o porowatości 80%, widoczny jest wpływ modyfikacji
biomateriału, który spowodował szybsze uwalnianie substancji aktywnej w porównaniu do
HA niemodyfikowanego. Szybkość uwalniania IB z tych układów zachowuje się w sposób
kontrolowany, w pierwszych 60 minutach zostało uwolnione prawie 60% IB, następnie IB
jest uwalniany przez dłuższy czas na stałym poziomie.
Dla scaffoldów o porowatości 50% profile uwalniania materiałów modyfikowanych, z
wyjątkiem TCP-LLA są zbliżone do profilu HA niemodyfikowanego. W przypadku
uwalniania IB z pastylek, otrzymane profile są zbliżone dla wszystkich rozważanych
układów. Z tego względu trudno wskazać czynniki mogące decydować o aktywności
układu.
Widać więc, że na aktywność badanego układu wyrażaną poprzez profil uwalniania
wpływa nie tylko skład ilościowy, ale także jego postać tzn. pastylka bądź scaffold o
określonej porowatości.
160
80
PS_HA-PEG+IB
SC50_HA-PEG+IB
SC80_HA-PEG+IB
100
PS_HA+IB
SC50_HA+IB
SC80_HA+IB
100
60
40
20
0
80
60
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360
1000 1500 2000 2500 3000
0
60 120 180 240 300 360 420 480
Czas [min]
100
PS_HA-TCP-PEG+IB
SC50_HA-TCP+PEG+IB
SC80_HA-TCP-PEG+IB
PS_HA-PLA+IB
SC50_HA-PLA+IB
SC80_HA-PLA+IB
100
80
60
40
20
80
60
40
20
0
0
0
60 120 180 240 300 360 420
1000 1500 2000 2500 3000
0
60 120 180 240 300 360 420
Czas [min]
100
PS_HA-LLA+IB
SC50_HA-LLA+IB
80
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
PS_HA-PHB+IB
SC80_HA-PHB+IB
100
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
60
40
20
80
60
40
20
0
0
0
60 120 180 240 300 360 420
0
1000 1500 2000 2500 3000
60 120 180 240 300 360 420
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
Czas [min]
100
PS_TCP-LLA+IB
SC50_TCP-LLA+IB
80
60
40
20
0
0
60 120 180 240 300 360 420
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
Rysunek 85. Profile uwalniania IB z pastylki (PS), scaffoldu o porowatości 80% (SC80),
scaffoldu o porowatości 85% (SC50) dla materiałów: HA, HA-PEG, HA-PLA, HA-LLA,
HA-PHB, HA-TCP-PEG, TCP-LLA
161
100
PS_HA+IB+PEG
SC50_HA+IB+PEG
SC80_HA+IB+PEG
80
60
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360 500 1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
100
PS_HA+IB+PLA
SC50_HA+IB+PLA
SC80_HA+IB+PLA
80
60
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360 500
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
80
PS_HA+IB+EUD
SC50_HA+IB+EUD
SC80_HA+IB+EUD
60
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360 500 1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
Rysunek 86. Profile uwalniania IB z HA pokrytego PEG/PLA/EUD z postaci pastylki
(PS), scaffoldu o porowatości 80% (SC80), scaffoldu o porowatości 85% (SC50)
162
100
PS_HA-IB
PS_HA-PEG+IB
PS_HA-TCP-PEG+IB
PS_HA-PLA+IB
PS_HA-PHB+IB
PS_HA-LLA+IB
PS_TCP-LLA+IB
80
60
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360
500
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
80
SC50_HA+IB
SC50_HA-PEG+IB
SC50_HA-TCP-PEG+IB
SC50_HA-PLA+IB
SC50_HA-LLA+IB
SC50_TCP-LLA+IB
60
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360 500
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
100
80
60
SC80_HA+IB
SC80_HA-PEG+IB
SC80_HA-TCP-PEG+IB
SC80_HA-PLLA+IB
SC80_HA-PHB+IB
40
20
0
0
60
120 180 240 300 360
500
1000 1500 2000 2500 3000
Czas [min]
Rysunek 87. Profile uwalniania IB dla wszystkich materiałów fosforanowo-wapniowych
chemicznie modyfikowanych polimerem z postaci pastylek (PS), scaffoldów o porowatości
50% (SC50), scaffoldów o porowatości 80% (SC80)
163
W celu zbadania mechanizmu i kinetyki uwalnianego ibuprofenu dopasowano do
wszystkich profili odpowiedni model kinetyczny. Wyniki zostały zestawione w tabelach
21-23. W tabeli 21 przedstawiono wyniki badań kinetycznych uwalnianego IB z układów
hybrydowych z postaci pastylek, z których wynika, że dla większości układów wyższe
współczynniki korelacji otrzymano dla log z ilości uwalnianego ibuprofenu [%] od czasu,
w porównaniu do całkowitego uwolnionego ibuprofenu [%] od czasu (model kinetyczny
zerowego rzędu). Oznacza to, że mechanizm uwalniania IB zachodzi według kinetyki
pierwszego rzędu, gdzie szybkość absorpcji i eliminacji substancji aktywnej zależy od
stężenia. Stała szybkości uwalniania (k1) została obliczona dla wszystkich profili (tabela
21). Dla układów: HA+IB+EUD, HA-LLA+IB, HA-PHB+IB, przebieg krzywej IB miał
charakter liniowy, co odpowiada kinetyce zerowego rzędu. Wysoki współczynnik korelacji
występował również dla modelu Higuchiego, dla którego uwalnianie ibuprofenu jest
proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z czasu. W związku z tym, mechanizm
uwalnianego ibuprofenu jest dyfuzyjnie kontrolowany. Jedynie dla trzech układów:
HA+IB+PLA, HA+IB+EUD, HA-PEG+IB, największy stopień korelacji występował dla
modelu Korsmeyer-Peppas'a. Dla dwóch układów wartość współczynnika dyfuzji "n" jest
mniejsza od 0,5, co oznacza, że mechanizm uwalniania IB jest zgodny z dyfuzją Ficka.
Natomiast, dla układu HA+IB+PLA wartość współczynnika dyfuzji "n" jest większa od
0,5, co wskazuje na dyfuzję anomalną.
W tabeli 22-23 zestawiono wyniki badań kinetycznych uwalnianego IB z układów
hybrydowych z postaci scaffoldów o porowatości 50 i 80%. Dla wszystkich układów
większe współczynniki korelacji zanotowano dla kinetyki pierwszego rzędu, w zestawieniu
z kinetyką zerowego rzędu. Dla większości scaffoldów 50%, najwyższy współczynnik
korelacji występował dla modelu Higuchiego. Aczkolwiek, dla układów HA+IB+PEG i
TCP-LLA+IB współczynnik korelacji dla modelu Korsmeyer-Peppas'a był największy,
gdzie wartość współczynnika dyfuzji "n" jest mniejsza od 0,5, sugerując uwalnianie IB
zgodne z dyfuzją Ficka.
Z kolei, dla większości profili uwalniania IB ze scaffoldów 80%, największe
współczynniki korelacji występowały dla modelu Korsmeyer-Peppas'a, w których
współczynnik dyfuzji "n" wskazywał na uwalnianie zgodne z dyfuzją Ficka. W związku z
tym, przebieg profili uwalniania miał charakter kontrolowany (szybkie uwalnianie na
początku, a przez dłuższy okres stałe uwalnianie na określonym poziomie).
164
Tabela 21. Wyniki badań kinetycznych uwalnianego IB z układów hybrydowych z postaci
pastylek (R - współczynnik korelacji; k1 - stała szybkości uwalniania pierwszego rzędu; n współczynnik dyfuzji)
Materiał
HA+IB
HA+IB+PEG
HA+IB+PLA
HA+IB+EUD
HA-PEG+IB
HA-LLA+IB
HA-PHB+IB
HA-PLA+IB
HA-TCP-PEG+IB
TCP-LLA+IB
Zerowego
rzędu
R
0,876
0,811
0,827
0,905
0,767
0,934
0,967
0,863
0,832
0,875
Model kinetyki
Pierwszego rzędu
Higuchi
R
0,943
0,908
0,861
0,900
0,832
0,912
0,962
0,948
0,897
0,940
k [h-1]
0,0161
0,0299
0,0092
0,0230
0,0138
0,0069
0,0345
0,0187
0,0092
0,0166
R
0,979
0,933
0,934
0,833
0,907
0,878
0,978
0,953
0,927
0,978
Korsmeyer–Peppas
R
0,957
0,914
0,944
0,905
0,953
0,830
0,819
0,743
0,857
0,952
n
0,345
0,551
0,516
0,388
0,460
0,497
0,728
0,504
0,508
0,345
scaffoldów o porowatości 50% (R - współczynnik korelacji; k1 - stała szybkości
uwalniania pierwszego rzędu; n - współczynnik dyfuzji)
Materiał
HA+IB
HA+IB+PEG
HA+IB+PLA
HA+IB+EUD
HA-PEG+IB
HA-LLA+IB
HA-PLA+IB
HA-TCP-PEG+IB
TCP-LLA+IB
Zerowego
rzędu
R
0,864
0,918
0,925
0,950
0,936
0,904
0,897
0,925
0,786
Model kinetyki
Pierwszego rzędu
Higuchi
R
0,917
0,923
0,984
0,985
0,973
0,964
0,965
0,967
0,906
k [h-1]
0,0115
0,0115
0,0138
0,0092
0,0115
0,0161
0,0138
0,0115
0,0207
R
0,968
0,937
0,997
0,992
0,993
0,985
0,989
0,966
0,938
Korsmeyer–Peppas
R
0,934
0,967
0,974
0,975
0,908
0,867
0,981
0,965
0,971
n
0,697
0,409
0,316
0,362
0,727
0,421
0,375
0,305
0,345
scaffoldów o porowatości 50% (R - współczynnik korelacji; k1 - stała szybkości
uwalniania pierwszego rzędu; n - współczynnik dyfuzji)
Materiał
HA+IB
HA+IB+PEG
HA+IB+PLA
HA+IB+EUD
HA-PEG+IB
HA-PHB+IB
HA-PLA+IB
HA-TCP-PEG+IB
Zerowego
rzędu
R
0,771
0,948
0,821
0,945
0,449
0,496
0,428
0,404
Model kinetyki
Pierwszego rzędu
Higuchi
R
0,913
0,949
0,943
0,985
0,686
0,691
0,754
0,707
k [h-1]
0,0392
0,0576
0,0276
0,0184
0,0553
0,0345
0,0783
0,0944
R
0,927
0,996
0,950
0,989
0,641
0,695
0,633
0,604
Korsmeyer–Peppas
R
0,975
0,986
0,972
0,983
0,823
0,859
0,832
0,819
n
0,394
0,513
0,404
0,358
0,270
0,267
0,243
0,238
165
PODSUMOWANIE
Prezentowane badania dotyczyły możliwości opracowania nowego nośnika
substancji aktywnej - materiału hybrydowego, charakteryzującego się jej przedłużonym
uwalnianiem. Przedłużona szybkość uwalniania substancji aktywnej była możliwa dzięki
odpowiedniemu doborowi składu materiału hybrydowego, przy czym kryterium doboru
nośnika zależała między innymi od siły oddziaływań między nośnikiem a substancją
aktywną. Dlatego w niniejszej dysertacji wyznaczono wielkość oddziaływań między
nośnikiem a substancją aktywną przy wykorzystaniu techniki odwróconej chromatografii
gazowej. Wyznaczono m.in. parametry powierzchniowe – kwasowo-zasadowe czy
dyspersyjne oraz określono wpływ tych parametrów na przedłużone uwalnianie substancji
aktywnej. Oczywiście, wpływ na przedłużone uwalnianie miał również skład i sposób
otrzymania materiału hybrydowego, ale nie można było zapomnieć o konieczności
udoskonalenia technik badań fizykochemicznych, które mogłyby w szybki i łatwy sposób
określić czy złożone materiały mogą być przydatne do celów farmaceutycznych.
Prace nad otrzymaniem materiałów hybrydowych, charakteryzujących się
przedłużonym uwalnianiem, zaczęły się od badań właściwości strukturalnych nośnika. Jest
to istotne, ponieważ polimer konkuruje z substancją aktywną o dostęp do miejsc
aktywnych, zmniejszając powierzchnię właściwą i dostępną objętość porów. Wyznaczono
powierzchnię właściwą, objętość i rozmiar porów matrycy nieorganicznej układu
hybrydowego i zbadano wpływ inkorporowania ibuprofenu w trakcie jednego, dwóch i
trzech dni. Okazało się, że już po dwóch dniach inkorporowania nastąpiła równowaga w
układzie, parametry nie ulegały już zmianie. Powierzchnia właściwa krzemionki
zmniejszyła się, co było wynikiem blokowania centrów aktywnych obecnych na
powierzchni badanego nośnika nieorganicznego.
Analiza rezultatów badań dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego dowiodła, że
ibuprofen w układach hybrydowych uległ istotnym zmianom – zauważono destrukcję sieci
krystalicznej, o czym świadczyły zmniejszone intensywności wszystkich refleksów. Wraz
ze wzrostem ilości użytej krzemionki czy polimeru, widoczne były coraz mniej intensywne
refleksy.
Przeprowadzone badania spektroskopii Ramana i skaningowej mikroskopii
elektronowej pomogły w określeniu stopnia jednorodności materiałów hybrydowych.
Dzięki tym badaniom można było zauważyć różnice w morfologii powierzchni,
wynikające z ilości użytych materiałów. Zauważono, że dla układów hybrydowych
166
zawierających PEG lub PLU, rozłożenie składników w proporcji 1:1:1 jest równomierne,
w proporcji 5:1:1 widoczny jest duży udział krzemionki, natomiast w 5:1:5 obserwuje się
duży udział polimeru. Z kolei, w układach hybrydowych z PLA lub EUD w proporcji 1:1:1
zauważono tendencję do tworzenia się skupisk, a w pozostałych proporcjach dystrybucja
IB w polimerze oraz krzemionce była bardziej jednorodna.
Na przebieg procesu uwalniania substancji aktywnej z materiału hybrydowego
wpłynęła również struktura ugrupowań powierzchniowych nośnika oraz oddziaływania
pomiędzy składnikami układu. W wyniku analizy widm spektroskopii w podczerwieni
zauważono przesunięcia pasm odpowiednich ugrupowań, co było związane z tworzeniem
się wiązań wodorowych pomiędzy nośnikiem a ibuprofenem. Dzięki technice osłabionego
całkowitego odbicia zaobserwowano zmianę w warstwie wierzchniej ilości ugrupowań
pochodzących od ibuprofenu - aby cząsteczki ibuprofenu znajdowały się w porach
krzemionki, a nie na jej powierzchni, stwierdzono, że potrzeba użyć dziesięć razy więcej
krzemionki niż ibuprofenu.
Istotnym elementem badań była ocena wpływu poszczególnych parametrów
wyznaczonych metodą odwróconej chromatografii gazowej, na przedłużone uwalnianie
substancji aktywnej oraz znalezienie zakresów wartości parametrów pozwalających na
osiągnięcie przewidywanego przedziału czasowego uwalnianej substancji aktywnej.
Wyznaczono stan energetyczny powierzchni materiałów hybrydowych za pomocą
składowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej  SD . Większość badanych
układów hybrydowych charakteryzowała się średnią aktywnością powierzchniową.
Aktywność materiałów hybrydowych była zazwyczaj niższa, niż dla ich pojedynczych
składników, ale nadal pozostawała w zakresie średniej aktywności, co było
prawdopodobnie spowodowane tworzeniem się wiązań wodorowych pomiędzy substancją
aktywną a nośnikiem.
Zbadano również kwasowość i zasadowość warstwy powierzchniowej materiałów
hybrydowych używając parametrów KA i KD. W przypadku wszystkich materiałów
hybrydowych, niezależnie od zastosowanej proporcji, widoczny jest wpływ użytego
materiału organicznego, jak i nieorganicznego, na charakter powierzchni substancji
aktywnej. Zauważono, że w układach z AR816 na charakter powierzchni znacznie wpłynął
użyty polimer - wartość parametrów była dużo większa w układach z AR816 niż AR200.
Działo się tak, ponieważ dzięki obecności grup CH3 w krzemionce AR816 dochodzi do
lepszej mieszalności z polimerem, która również zawiera grupy węglowodorowe.
167

Parametr  12
wykorzystano jako miarę stopnia pokrycia substancji aktywnej i
nieorganicznego nośnika. Rezultaty uzyskane z tych badań są zgodne z wnioskami
otrzymanymi z badań spektroskopii Ramana. Podczas mapowania ramanowskiego okazało
się, że w układach hybrydowych w proporcjach 5:1:1, intensywność pasm pochodzących
od IB i polimeru była niewielka. Wobec tego stopień pokrycia przez polimer nie jest duży.
Co więcej, na podstawie badań dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, stwierdzono,
że w układach w proporcji 5:1:1, na dyfraktogramie widoczny jest znaczny udział fazy
amorficznej (pochodzący od krzemionki). Największym stopniem pokrycia przez polimer

charakteryzowały się układy w proporcji 5:1:5. Wartość parametru  12
znacznie odbiegała
od wartości dla krzemionki z ibuprofenem.
'
Ważnym elementem obliczeń było wyznaczenie parametru  23
, który wyraża
wielkość oddziaływań pomiędzy składnikami w układach złożonych. Wartość parametru
'
'
 23
zmieniała się w zależności od zastosowanego polimeru. Bardziej ujemna wartość  23
występowała dla układów z polimerami PEG i PLU, podczas gdy dodatnie wartości
obserwowano dla układów z PLA i EUD. Zbadano również wpływ nośnika
'
nieorganicznego na wartość parametru  23
- dla układów z AR200 wartości parametru
były zbliżone do wartości uzyskanych dla układów z AR816. Ponadto, poza rodzajem
użytej krzemionki i polimeru, ilość składników w układach hybrydowych wpływała na
wielkość oddziaływań pomiędzy nimi i uwalnianie IB. We wszystkich materiałach
zauważono, że bardziej ujemna wartość parametru występowała w układach o proporcjach
5:1:1 i 5:1:5, niż w przypadku proporcji 1:1:1 i w tej proporcji profile uwalniania IB dla
tych układów, wskazywały na dość szybkie uwalnianie.
Prowadzone badania
kinetyki
uwalniania
modelowego leku potwierdziły
możliwość zastosowania nośnika do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej. Dla
układów z nośnikiem nieorganicznym występował tzw. "burst" efekt, co oznacza, że ponad
60% dawki leku zostało uwolnione w pierwszych 15 minutach. Ten efekt był niezależny
od rodzaju krzemionki i użytych proporcji krzemionki do ibuprofenu. Użycie
hydrofilowych polimerów (PEG i PLU) nie zredukowało początkowego efektu "burst".
Zmniejszenie tego efektu i bardziej ciągły profil uwalniania otrzymano w przypadku
układów z PLA i EUD. Dla układów w proporcji 5:1:1 obserwowano również wysokie
początkowe stężenie uwalnianego IB, co było prawdopodobnie związane z aktywnością
168
materiału, a dokładnie z wysoką wartością składowej dyspersyjnej swobodnej energii
powierzchniowej.
Po skorelowaniu wyników otrzymanych z metody IGC z badaniami in vitro
'
zauważono, że podstawowe założenie: bardziej ujemna wartość parametru  23
może
wskazywać na silniejsze oddziaływania między składnikami, większą aktywność i
przedłużone uwalnianie powinno zostać zmodyfikowane. Ostatecznie dla układów
'
złożonych - trójskładnikowych, wartość parametru  23
wynosząca zero lub przyjmująca
lekko dodatnie wartości, może wskazywać na silniejsze oddziaływania między
składnikami i przedłużone uwalnianie substancji aktywnej. Dodatkowo w układach
hybrydowych charakteryzujących się większą aktywnością powierzchniową, profil
uwalniania miał bardziej charakter kontrolowany - większa ilość uwolnionej substancji
aktywnej na początku, a następnie utrzymanie stałego poziomu przez dłuższy okres czasu.
W celu pełniejszej interpretacji wyników wykorzystano analizę chemometryczną.
Rezultaty otrzymane z analizy składowych głównych i analizy skupień doprowadziło do
pogrupowania układów hybrydowych o największym stopniu podobieństwa pod względem
wartości parametrów  SD , KA, KD oraz najlepszego dopasowania do danego modelu
kinetycznego. Wyniki analizy chemometrycznej wskazały na wystarczający opis zdolności
do oddziaływań substancja aktywna-nośnik z wykorzystaniem jedynie czterech związków
testowych.
Ciekawym aspektem pracy były również badania kinetyki uwalniania z postaci
pastylek i scaffoldów. Badania były prowadzone w celu oszacowania możliwości ich
zastosowania jako nośniki w ubytkach kostnych. Wyniki badań in vitro skorelowano
również z wynikami otrzymanymi z IGC, dzięki czemu otrzymano grupy materiałów,
w których zachodziły pewne podobieństwa. Dla większej materiałów zaobserwowano, że
'
najmniejsze wartości parametru  23
otrzymano dla scaffoldów o porowatości 80% i
szybkość uwalniania IB dla tych układów była największa. Profile uwalniania dla
scaffoldów o porowatości 50% i pastylek były podobne, jak również wartości parametru
'
 23
dla tych układów. Aktywność materiałów nie miała tu większego znaczenia. Dlatego
decydującym czynnikiem, który wpływa na szybkość uwalniania ibuprofenu była
porowatość scaffoldu. Profile uwalniania z postaci pastylek i scaffoldów o porowatości
50% są zbliżone do siebie i wykazują efekt przedłużonego uwalniania substancji aktywnej.
Natomiast dla wszystkich układów uwalnianie ze scaffoldów o porowatości 80% jest
169
większe, co oznacza, że profil uwalniania ma bardziej charakter kontrolowany, z
początkowo szybkim uwalnianiem, a następnie utrzymywaniem stałego poziomu.
Wpływ modyfikatora na zdolność do uwalniania substancji aktywnej nie był
jednoznaczny, co oznacza, że zastosowanie danego modyfikatora w jednym przypadku
przyspieszało, a w innym spowalniało uwalnianie.
Ostateczna ocena zaproponowanych scaffoldów jako nośników substancji
aktywnych będzie możliwa dopiero po wykonaniu badań in vivo, w tym badań
implantacyjnych.
Tematyka podjęta w ramach niniejszej dysertacji oprócz elementów poznawczych
miała duże znaczenie praktyczne. Nieliczne doniesienia literaturowe na temat powiązania
wyznaczanych parametrów IGC z badaniami in vitro, skłoniły do prowadzenia tego typu
badań, mając na uwadze otrzymanie układów w szczególności charakteryzujących się
przedłużonym uwalniania modelowych substancji farmakologicznie aktywnych.
170
LITERATURA
[1] K. G. Sharp, Inorganic/organic hybrid materials, Adv. Mater. 1998, 10, 1243–1248.
[2] K.H. Haas, Hybrid inorganic-organic polymers based on organically modified Sialkoxides, Adv. Eng. Mater. 2000, 2, 571–582.
[3] N. Hüsing, S. Hartmann, in L. Merhari (ed.) Hybrid Nanocomposites for
Nanotechnology, Springer Science + Business Media, New York, 2009, 131-171.
[4] C. Sanchez, B. Julian, P. Belleville, M. Popall, Applications of hybrid organic–
inorganic nanocomposites, J. Mater. Chem. 2005, 15, 3559-3592.
[5] P. Gomez-Romero, Hybrid Organic-Inorganic Materials - In Search of Synergic
Activity, Adv. Mater. 2001, 13, 163-174.
[6] Y. Chujo, Organic – Inorganic Nano-Hybrid Materials, KONA. 2007, 25, 255-260.
[7] M.F. Ashby, Y.J.M. Brechet Designing hybrid materials, Acta. Materialia. 2003, 51
5801-5821.
[8] G. Kickelbick, Hybrid materials. In: Synthesis, Characterizations and Application,
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2007.
[9] P. Gomez-Romero, C.Sanchez, Hybrid materials. Functional properties. From Maya
Blue to 21st century materials, New J. Chem. 2005, 29 , 57–58.
[10] B. Arkles, Comercial application of sol-gel-derived hybrid materials, Mater. Res.
Bull. 2001, 26, 402-407.
[11] P. Judeinstein, C. Sanchez, Hybrid Organic-Inorganic Materials: A Land of MultiDisciplinarity, J. Mater. Chem. 1996, 6, 511-525.
[12] C. Sanchez, F. Ribot, B. Lebeau, Molecular Design of Hybrid Organic-Inorganic
Nanocomposites Synthesized via Sol-Gel Chemistry, J. Mater. Chem. 1999, 9, 35-44.
[13] P. Gómez-Romero, K. Cuentas-Gallegos, M. Lira-Cantu, N. Casan-Pastor, Hybrid
nanocomposite materials for energy storageand conversion applications, J. Mater. Sci.
2005, 40, 1423–1428.
[14] C. Sanchez, B. Julian, P. Belleville, M. Popall, Applications of hybrid organicinorganic nanocomposites, J. Mater. Chem. 2005, 15, 3559–3592.
[15] E. Żelazowska, E. Rysiakiewicz-Pasek, Hybrid materials doped with lithium ions,
Opt. Appl. 2010, 2, 383-396.
[16] C. Wang, Y. Wei, G.R. Ferment, W. Li, T. Li, Poly(ethylene oxide)–silica hybrid
materials for lithium battery application, Mater. Lett. 1999, 39, 206-210.
171
[17] C. Sanchez, L. Rozes, F. Ribot, C. Laberty-Robert, D. Grosso, C. Sassoye, C.
Boissiere and L. Nicole, "Chimie douce": a Land of Opportunities for the Designed
Construction of Functional Inorganic and Hybrid Organic-Inorganic Nanomaterials,
Comptes. Rendus. Chimie. 2010, 13, 3-39.
[18] G. Bezzi, G. Celotti, E. Landi, T.M.G. La Torretta, I. Sopyan, A. Tampieri, A novel
sol–gel technique for hydroxyapatite preparation, Mater. Chem. Phys. 2003, 78, 816-824.
[19] T. Miyazaki, M. Kamitakahara, C. Ohtsuki in: L. Merhari (ed.), Hybrid
nanocomposites for Nanotechnology, Springer Science + Business Media, New York,
2009.
[20] J. Andersson, S. Areva, B. Spliethoff, M. Linden, Sol–gel synthesis of a
multifunctional, hierarchically porous silica/apatite composite, Biomater. 2005, 26, 68276835.
[21] K. Noble, A.B. Seddon, M.L. Turner, P. Chevalier, D.L. Ou, Porous Siloxane-Silica
Hybrid Materials by Sol-Gel Processing, J. Sol-gel. Sci. Tech. 2003, 26, 419-423.
[22] M. Catauro, M. Raucci, G. Ausanio, Sol–gel processing of drug delivery
zirconia/polycaprolactone hybrid materials, J. Mater. Sci.: Materials in Medicine. 2008,
19, 531-540.
[23] M. Catauro, D. Veradi, D. Melisi, F.Belotti, P. Mustarelli, Novel sol-gel organicinorganic hybrid materials for drug delivery, J. Appl. Biomater. Biomech. 2010, 8,42-51.
[24] D. Avnir, T. Coradin, O. Lev, J. Livage, Recent bio-applications of sol–gel materials,
J. Mater. Chem. 2006,16, 1013-1030.
[25] Z. Zhou, Y. Zhang, Z. Zeng, Yi. Zhang, Properties of POSS-filled polypropylene:
Comparison of physical blending and reactive blending, J. Appl. Polym. Sci. 2008, 6,
3745-3751.
[26] M.P. Kapoor, Q. Yang, S. Ynagaki, Organization of Phenylene-Bridged Hybrid
Mesoporous Silisesquioxane with a Crystal-like Pore Wall from a Precursor with
Nonlinear Symmetry, Chem. Mater. 2004, 16, 1209-1213.
[27] J.J.E Moreau, L. Vellutini, M. Wong Chi Man, C. Bied, J-L. Bantignies, P.
Dieudonné, J-L. Sauvajol, Self-Organised Hybrid Silica with Long-Range Ordered
Lamellar Structure, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7957-7958.
[28] T. Adschiri, K. Byrappa, Supercritical Hydrothermal Synthesis of Organic-Inorganic
Hybird Nanoparticles, Adv. Mater. Res. 2009, 13, 247–280.
172
[29] H. Li, M. Eddahoudi, M. O‘Keeffe, O. M. Yaghi, Design and synthesis of an
exceptionally stable and highly porous metal-organic framework, Nature. 1999, 402, 276279.
[30] S. Feng, R. Xu, New Materials in Hydrothermal Synthesis, Acc. Chem. Res. 2001, 34,
239–247.
[31] L. Zhang, Y. Wei, Ch. Wang, H. Guo, P. Wang, Hexatungstate subunit as building
block in the hydrothermal synthesis of organic–inorganic hybrid materials: synthesis,
structure and optical properties of Co2(bpy)6 (W6O19)2 (bpy=4,4′-bipyridine), J. Solid.
State. Chem. 2004, 177, 3433-3438.
[32] E. Bourgeat-Lami, Organic-inorganic nanostructured colloids, J. Nanosci.
Nanotechnol. 2002, 2, 1-24.
[33] F. Ribot, A. Lafuma, C. Eychenne-Baron, C. Sanchez, New Photochromic Hybrid
Organic–Inorganic Materials Built from Well-Defined Nano-Building Blocks, Adv. Mater.
2002, 14, 1496-1499.
[34] G. Kickelbick, Concepts for the incorporation of inorganic building blocks into
organic polymers on a nanoscale, Prog. Polym. Sci. 2003, 28, 83-114.
[35] T. Emrick, E. Pentzer, Nanoscale assembly into extended and continuous structures
and hybrid materials, NPG. Asia. Mater. 2013, 5, 1-15.
[36] K. Sato, J. Anzai, Dendrimers in Layer-by-Layer Assemblies: Synthesis and
Applications, Molecules. 2013, 18, 8440-8460.
[37] G.J. Soler-Illia, A.A. De, C. Sanchez, B. Lebeau, J. Patarin, Chemical stategies to
design textured materials: from microporous and mesoporous oxides, to nanonetworks and
hierarchical structures, Chem. Rev. 2002, 102, 4093-4138.
[38] X. Wang, Y. Bi, B. Chen, H. Lin, G. Liu, Self-Assembly of Organic–Inorganic Hybrid
Materials Constructed from Eight-Connected Coordination Polymer Hosts with Nanotube
Channels and Polyoxometalate Guests As Templates, Inorg. Chem. 2008, 47, 2442–2448.
[39] F. Schuth, Non-Siliceous Mesostructured and Mesoporous Materials, Chem. Mater.
2001, 13, 3184-3195.
[40] F. Hoffmann, M. Cornelius, J.Morell, M. Froba, Silica-Based Mesoporous Organic–
Inorganic Hybrid Materials, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3216 – 3251.
[41] W. J. Hunks, G. A. Ozin, Challenges and advances in the chemistry of periodic
mesoporous organosilicas (PMOs), J. Mater. Chem. 2005,15, 3716-3724.
173
[42] F. Hoffmann, M. Froba, Vitalising porous inorganic silica networks with organic
functions—PMOs and related hybrid materials, Chem. Soc. Rev. 2011,40, 608-620.
[43] T. Asefa, M. Kruk, MJ. MacLachlan, N. Coombs, H. Grondey, M. Jaroniec, GA.
Ozin, Novel bifunctional periodic mesoporous organosilicas, BPMOs: synthesis,
characterization, properties and in-situ selective hydroboration−alcoholysis reactions of
functional groups, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8520–8530.
[44] N. Steunou, S. Forster, P. Florian, C. Sanchez and M. Antonietti, Synthesis of
Nanostructured Polymer-Titanium Oxide Composites through the Assembly of TitaniumOxo Clusters and Amphiphilic Block Copolymers Micelles, J. Mater. Chem. 2002, 12,
3426-3430.
[45] G. Fornasieri, L. Rozes, S. Le Calve, B. Alonso, D. Massiot, M. N. Rager, M. Evain,
K. Boubekeur, C. Sanchez, Reactivity of Titanium Oxo Ethoxo Cluster Ti16O16(OEt)32.
Versatile Precursor of Nano Building Block Based Hybrid Materials, J. Am. Chem. Soc.
2005,127, 4869-4878.
[46] S. Mann, S. L. Burkett, S. A. Davis, C. E. Fowler, N. H. Mendelson, S. D. Sims, D.
Walsh, N. T. Whilton, Sol-Gel Synthesis of Organized Matter, Chem. Mater. 1997, 9,
2300-2310.
[47] L. L. Hench, Sol-Gel Silica: Properties, Processing and Technology Transfer, Noyels
Publications, Westwood, New Jersey, USA, 1998.
[48] C. Mazzoleni, L. Pavesi, Application to Optical-Components Of Dielectric Porous
Silicon Multilayers, Applied. Physics. Letters. 1995, 67, 2983-2985.
[49] A. Marucci, G. Brusati, M. Guglielmi, C. Strohhöfer, J. Fick, Pelli, G. C. Righini,
Fabrication and Characterization of Sol-Gel GeO2-SiO2 Erbium-Doped Planar
Waveguides, J. Sol-Gel Sci. Technol. 1998, 13, 535-539.
[50] D. Levy, F. de Monte, J. M. Oton, G. Fiksman, I. Matias, P. Datta, M. López-Amo,
Photochromic Doped Sol-Gel Materials for Fiber-Optic Devices, J. Sol-Gel Sci. Technol.
1997, 8, 931-935.
[51] Y. Cui, G. Qian, J. Gao, L. Chen, Z. Wang, M. Wang, Preparation and Nonlinear
Optical Properties of Inorganic−Organic Hybrid Films with Various Substituents on
Chromophores, J. Phys. Chem. B. 2005, 109, 23295-23299.
[52] V. Ptatschek, B. Schreder, K. Herz, U. Hilbert, E. Ossau, G. Schottner, O. Rahäuser,
T. Bischof, G. Lermann, A. Materny, W. Kiefer, G. Bacher, A. Forchel, D. Su, M. Giersig,
174
G. Müller, L. Spanhel, Sol−Gel Synthesis and Spectroscopic Properties of Thick
Nanocrystalline CdSe Films, J. Phys. Chem. B. 1997, 101, 8898-8906.
[53] M. Nocuń, Amorficzne warstwy ochronne na bazie materiałów hybrydowych,
Ceramics. 2007, 98.
[54] B. Liao, M. Song, H. Liang, Y. Pang, Polymer-layered silicate nanocomposites. 1. A
study of poly(ethylene oxide)/Na+-montmorillonite nanocomposites as polyelectrolytes and
polyethylene-block-poly(ethylene glycol) copolymer/Na+-montmorillonite nanocomposites
as fillers for reinforcement of polyethylene, Polym. 2001, 42, 10007-10011.
[55] T. Asselman, G. Garnier, The role of anionic microparticles in a poly(acrylamide)montmorillonite flocculation aid system, Coll. Surf. 2000, 170, 79-90.
[56] N. Gungor, S. Karaoglan, Interactions of polyacrylamide polymer with bentonite in
aqueous systems, Materials. Lett. 2001, 48,168-175.
[57] P. Bera, S. K. Saha, Water-soluble copolymers of acrylamide with diacetone–
acrylamide and N-t-butylacrylamide on aqueous montmorillonite surface: synthesis and
characterisation, Eur. Polym. J. 2000, 36, 411-419.
[58]
A.
Drzycimska,
T.
Spychaj,
Hybrydowe
układy
typu
polimer
hydrofilowy/montmorylonit, Polimery. 2008, 3, 167-252.
[59] H.M. Park, W.K. Lee, Ch.Y. Park, W.J. Cho, Ch.S. Ha, Environmentally friendly
polymer hybrids. Part I Mechanical, thermal, and barrier properties of thermoplastic
starch/clay nanocomposites, J. Mater. Sci. 2003, 38, 909-915.
[60] H.M. Park, X. Li, Ch.Z. Jin, Ch.Y. Park W.J. Cho, Ch.S. Ha, Preparation and
properties of biodegradable thermoplastic starch/clay hybrids, Macromol. Mater. Eng.
2002, 287, 553.
[61] Q. Liu, J. R Wijn, C.A. van Blitterswijk, Composite biomaterials with chemical
bonding between hydroxyapatite filler particles and PEG/PBT copolymer matrix, J.
Biomed. Mater. Res. 1998, 40, 490-497.
[62] R. Murugan, S. Ramakrishna, Development of nanocomposites for bone grafting,
Compos. Sci. Technol. 2005, 65, 2385-2406.
[63] A. Slosarczyk, E. Stobierska, Z. Paszkiewicz, M. Gawlicki, Calcium phosphate
materials prepared from precipitates with various calcium phosphate molar ratios, J. Am.
Ceram. Soc. 1996, 79, 2539-2544.
[64] J. Łukaszczyk, Polimerowe i kompozytowe cementy kostne oraz materiały pokrewne.
Cz. I. Klasyczne cementy metakrylanowe i ich modyfikacja, Polimery. 2004, 49, 77-156.
175
[65] M. Yoneda, H. Terai, Y. Imai, T. Okada, K. Nozaki, H. Inoue, S. Miyamoto, K.
Takaoka, Repair of an intercalated long bone defect with a synthetic biodegradable boneinducing implant, Biomater. 2005, 26, 5145-5152.
[66] G. Marletta, G. Ciapetti, C. Satriano, S. Paganib, N. Baldini, The effect of irradiation
modification and RGD sequence adsorption on the response of human osteoblasts to
polycaprolactone, Biomater. 2005, 26, 4793-4804.
[67] I. Moser, G. Jobst, G.A. Urban, Biosensor arrays for simultaneous measurement of
glucose, lactate, glutamate, and glutamine, Biosens. Bioelectr. 2002, 17, 297-302.
[68] S. Słomkowski, Hybrid polymeric materials for medical applications, Polimery. 2006,
2, 85-166.
[69] M. Vallet-Regí, A. Rámila, RP. del Real, J. Pérez-Pariente, A new property of MCM41: Drug delivery system, Chem. Mater. 2001, 13, 308 – 311.
[70] B. Muñoz, A. Rámila, J. Pérez-Pariente, I. Díaz, M. Vallet-Regí, MCM-41 organic
modification as drug delivery rate regulator, Chem. Mater. 2003, 15, 500 – 503.
[71] P. Horcajada, A. Rámila, J. Pérez-Pariente, M. Vallet-Regí, Influence of pore size of
MCM- 41 matrices on drug delivery rate, Micropor. Mesopor. Mater. 2004, 68, 105 – 109.
[72] C. Tourné-Péteilh, DA. Lerner, C. Charnay, L. Nicole, S. Bégu, J.M. Devoisselle,
The potential of ordered mesoporous silica for the storage of drugs: The example of a
pentapeptide encapsulated in a MSU-Tween 80, Chem. Phys. Chem. 2003, 4, 281 – 286.
[73] N.K. Mal, M. Fujiwara, Y. Tanaka, Photocontrolled reversible release of guest
molecules from coumarin-modified mesoporous silica, Nature. 2003, 4, 350– 353.
[74] C. Tourne-Peteilh, D. Brunel, S. Begu, B. Chiche, F. Fajula, D.A. Lerner, J.M.
Devoisselle, Synthesis and characterisation of ibuprofen-anchored MCM-41 silica and
silica gel, New. J. Chem. 2003, 27, 1415-1418.
[75] A. Vinu, T. Mori, K. Ariga, New families of mesoporous materials, Sci. Technol. Adv.
Mater. 2006, 7, 753-771.
[76] T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi, T. Yamamuro, Solutions able to
reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W, J. Biomed.
Mater. Res. 1990, 24, 721-734.
[77] Q. Tang, Y. Xu, D. Wu, Y. Sun, A study of carboxylic-modified mesoporous silica in
controlled delivery for drug famotidine, J. Solid. State. Chem. 2006, 179, 1513-1520.
[78] Prawo farmaceutyczne, art. 2 pkt. 32.
176
[79] Urząd Rejestracji Produktów Leczniczych, Wyrobów Medycznych i Produktów
Biobójczych, http://www.urpl.gov.pl/farmakopea, 03.08.2013r.
[80] Business Communications Company, Industry Research and Technical Market
Analysis,
http://www.bccresearch.com/market-research/pharmaceuticals/advanced-drug-
delivery-systems-phm006h.html, 10.08.2013r.
[81] O.C. Farokhzad, R. Langer, Impact of Nanotechnology on Drug Delivery, Am. Chem.
Soc. 2009, 3, 16-20.
[82] R. Langer, N.A. Peppas Advances in Biomaterials, Drug Delivery and
Bionanotechnology, AIChE. J. 2003, 49, 2990-3006.
[83] R. White, V. Bradnam, Handbook of Drug Administration via Enteral Feeding Tubes,
Pharmacutical Press, London, 2007.
[84] M. Wyman, Medication Administration Through Enteral Feeding Tubes, Pharm. D.
2008, 11,1-6.
[85] M.J. Rathbone, J. Hadgraft, M.S. Roberts, Modified-released drug delivery
technology, Marcel Decer Inc., New York, 2002.
[86] T. Ciach, Alternatywne systemy podawania leków, Prace Wydziału Inżynierii
Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej, 2009, 33, 3-134.
[87] M.R. Prausnitz, S. Mitragotri, R. Langer, Current status and future potential of
transdermal drug delivery, Nat. Rev. Drug. Discov. 2004, 3, 115-124.
[88] J.D. Smart, Drug delivery using buccal-adhesive systems, Adv. Drug. Deliv. Rev.
1993, 11, 253-270.
[89] J. Gac, T.R. Sosnowski, L. Gradoń, Turbulent flow energy for aeorosolization of
powder particles, J. Aerosol. Sci. 2008, 39, 113-126.
[90] K. Gimpel, P. Luliński, D. Maciejewska, Wybrane technologie optymalizujące
dostarczanie substancji czynnych w nowoczesnych postaciach leków, Biul. Wydz. Farm.
WUM. 2009, 3, 19-23.
[91] K. Sako, H. Nakashima, T. Sawada, M. Fukui, Relationship Between Gelation Rate of
Controlled-release Acetaminophen Tablets Containing Polyethylene Oxide and Colonic
Drug Release in Dogs, Pharm. Res. 1996, 13, 594-598.
[92] B. Basanta Kumar Reddy, A. Karunakar, Biopharmaceutics Classification System:A
Regulatory Approach, Dissolut. Technol. 2011, 3, 31-37.
[93] K.M. Kumar, B. Anil, Biopharmaceutics drug disposition classification system: an
extension of biopharmaceutics classification system, Inter. Res. J. Pharm. 2012, 3, 5-10.
177
[94] V. Dash, A. Kesari, Role of Biopharmaceutical
classification System In Drug
Development Program, J. Curr. Pharm. Res. 2011, 5, 28-31.
[95] J. Cook, W. Addicks, Y.H. Wu, Application of the Biopharmaceutical Classification
System in Clinical Drug Development—An Industrial View, Am. Assoc. Pharm. Sci. 2008,
10, 306-310.
[96] J. Salonen, L. Latinen, A.M. Kaukonen, J. Tuura, M. Bjorkqvist, T. Heikkila, K.
Vaha-Herikkila, J. Hirvonen, V.P. Lehto, Mesoporous silicon microparticles for oral drug
delivery: Loading and release of five model drugs, J. Controlled Release, 2005, 108, 362374.
[97] N. Schlager, J. Weisblatt, D.E. Newton, Chemical Compounds, Thomson Gale, New
York, 2006.
[98] D.J. Goossens, A.P. Heerdegen, T.R. Welberry, A.G. Beasley, The molecular
conformation of Ibuprofen, C13H18O2, through X-ray diffuse scattering, Inter. J. Pharm.
2007, 343, 59-68.
[99] L. Francis, D. Meng, J. Knowles, T. Keshavarz, A. R. Boccaccini, I. Roy, Controlled
Delivery of Gentamicin Using Poly(3-hydroxybutyrate) Microspheres, Int. J. Mol. Sci.
2011, 12, 4294-4314.
[100] W. Song, X. Yu, S. Wang, R. Blasier, D.C. Markel, G. Mao, T. Shi, W. Ren,
Cyclodextrin-erythromycin complexes as a drug delivery device for orthopedic application,
Int. J. Nanomed. 2011, 6, 3173-3186.
[101] C.D. Nunes, P.D. Vaz, A.C. Fernandes, P. Ferreira, C.C. Romao, M.J. Calhorda,
Loading and delivery of sertraline using inorganic micro and mesoporous materials, Eur.
J. Pharm. Biopharm. 2007, 66, 357-365.
[102] A. Gupta, S.K. Prajapati, M. Balamurugan, M. Singh, D. Bhatia, Design and
Development of a Proniosomal Transdermal Drug Delivery System for Captopril, Trop. J.
Pharm. Res. 2007, 6, 687-693.
[103] H. Gautier, J. Caillon, A.M. Le Ray, G. Daculsi, C. Merl, Influence of isostatic
compression on the stability of vancomycin loaded with a calcium phosphate–implantable
drug delivery device, J.Biomed. Mater.Res. 2000, 52, 308-314.
[104] B.G Yu, T. Okano, K. Kataoka, G. Kwon, Polymeric micelles for drug delivery:
solubilization and haemolytic activity of amphotericin, J. Controlled Release. 1998, 53,
131-136.
178
[105] Z. Wu, Y. Jiang, T. Kim, K. Lee, Effects of surface coating on the controlled release
of vitamin B1 from mesoporous silica tablets, J. Controlled Release. 2007, 119, 215-221.
[106] O. Wichterle, D. Lim, Hydrophilic gels for biological use, Nature. 1960, 185, 117–
118.
[107] P. Kortesuo, M. Ahola, S. Karlsson, I. Kangasniemi, A. Yli-Urpo, J. Kiesvaara,
Silica xerogel as an implantable carrier for controlled drug delivery—evaluation of drug
distribution and tissue effects after implantation, Biomater. 2000, 21, 193-198.
[108] J. Rich, P. Kortesuo, M. Ahola, A. Yli-Urpo, J. Kiesvaara, J. Seppälä, Effect of the
molecular weight of poly(ε-caprolactone-co-DL-lactide) on toremifene citrate release from
copolymer/silica xerogel composites, Int. J. Pharm. 2001, 212, 121-130.
[109] P. Kortesuo, M. Ahola, M. Kangas, T. Leino, S. Laakso, L. Vuorilehto, A. Yli-Urpo,
J. Kiesvara, M. Marvola, Alkyl-substituted silica gel as a carrier in the controlled release
of dexmedetomidine, J. Controlled Release. 2001, 76, 227-238.
[110] S. Radin, S. Falaize, M.H. Lee, P. Ducheyne, In vitro bioactivity and degradation
behavior of silica xerogels intended as controlled release materials, Biomater. 2002, 23,
3113-3122.
[111] W. Aughenbaugh, S. Radin, P. Ducheyne, Silica sol-gel for the controlled release of
antibiotics. II. The effect of synthesis parameters on the in vitro release kinetics of
vancomycin, J. Biomed. Mater. Res. 2001, 57, 321-326.
[112] Radin S., Ducheyne P., Kamplain T., Tan B.H., Silica sol-gel for the controlled
release of antibiotics. I. Synthesis, characterization, and in vitro release, J. Biomed. Mater.
Res. 2001, 57, 313-320.
[113] H. Böttcher, P. Slowik, W. Süß, Sol-Gel Carrier Systems for Controlled Drug
Delivery, J. Sol-Gel Sci. Technol. 1998, 13, 277-281.
[114] M.S.W. Vong, N. Bazin, P.A. Sermon, Chemical modification of silica gels J. SolGel Sci. Technol. 1997, 8, 499-505.
[115] M.S. Ahola, E.S. Säilynoja, M.H. Raitavuo, M.M. Vaahtio, J.I. Salonen, A.U.O. YliUrpo, In vitro release of heparin from silica xerogels, Biomater. 2001, 22, 2163-2170.
[116] M. Vallet-Regi, Nanostructured mesoporous silica matrices in nanomedicine, J.
Intern. Med. 2009, 267, 22-43.
179
[117] T. Yanagisawa, T. Shimizu, K. Kuroda, C. Kato, The preparation of
alkyltrimethylammonium-kanemite complexes and their conversion to microporous
materials, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1990, 63, 988-992.
[118] J. S. Beck, J. C. Vartulli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K.D. Schmitt,
C.T. Chu, D. H. Olson, D. W. Scheppard, A new family of mesoporous molecular sieves
prepared with liquid crystal templates, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10834-10843.
[119] M. Kruk, M. Jaroniec, A. Sayari, Influence of hydrothermal restructuring conditions
on structural properties of mesoporous molecular sieves, Micropor. Mesopor. Mater. 1999,
27, 217-229.
[120] P. Horcajada, A. Ramila, G. Ferey, M. Vallet-Regi, Influence of superficial organic
modification of MCM-41 matrices on drug delivery rate, Solid. State. Sci. 2006, 8, 12431249.
[121] W. Zeng, X.F. Qian, Y.B. Zhang, J. Yin, Z.K. Zhu, Organic modified mesoporous
MCM-41 through solvothermal process as drug delivery system, Mater. Res. Bull. 2005,
40, 766-772.
[122] I. I. Slowing, B. G. Trewyn, S. Giri, V. S.-Y. Lin, Mesoporous Silica Nanoparticles
for Drug Delivery and Biosensing Applications, Adv. Func. Mater. 2007, 17, 1225-1236.
[123] F. Qu, G. Zhu, S. Huang, S. Li, J. Sun, D. Zhang, S. Qiu, Controlled release of
Captopril by regulating the pore size and morphology of ordered mesoporous silica,
Micropor. Mesopor. Mater. 2006, 92, 1-9.
[124] M. Vallet-Regí, Ordered Mesoporous Materials in the Context of Drug Delivery
Systems and Bone Tissue Engineering, Chem. Eur. J. 2006, 12, 5934-5943.
[125] I. Izquierdo-Barba, A. Martinez, A.L. Doadrio, J. Perez-Pariente, M. Vallet-Regi,
Release evaluation of drugs from ordered three-dimensional silica structures, Eur. J.
Parma.Sci. 2005, 26, 365-373.
[126] M. Manzono, V. Aina, C.O. Arean, F. Balas, V. Cauda, M. Colilla, M.R. Delgado,
M. Vallet-Regi, Studies on MCM-41 mesoporous silica for drug delivery: Effect of particle
morphology and amine functionalization, Chem. Eng. J. 2008, 137, 30-37.
[127] J. Liu, X. Fena, G.E. Fryxell, L.-Q. Wang, A.Y. Kim, M. Gong, Hybrid Mesoporous
Materials with Functionalized Monolayers, Adv.Mater. 1998, 10, 161-165.
[128] F. Qu, G. Zhu, H. Lin, W. Zhang, J. Sun, S. Li, S. Qiu, A controlled release of
ibuprofen by systematically tailoring the morphology of mesoporous silica materials, J.
Solid. State. Chem. 2006, 179, 2027-2035.
180
[129] Z. Li, L-X. Wen, L. Shao, J.F. Chen, Fabrication of porous hollow silica
nanoparticles and their applications in drug release control, J. Controlled Release. 2004,
98, 245-254.
[130] G.A. Hughes, Nanostructure-mediated drug delivery, Nanomedicine: Nanotechn.
Biol. Med. 2005, 1, 22-30.
[131] N.A. Ghazi, K.I.A. Hussain, N.A.N.N. Malek, S. Hamdan, The effect of zeolite X and
Y on cancer cell lines, J. Sci. Technol. 2012, 4, 33-40.
[132] M. G. Rimoli, M.R. Rabaioli, D. Melisi, A. Curcio, S. Mondello, R. Mirabelli, E.
Abignente, Synthetic zeolites as a new tool for drug delivery, J. Biomed. Mater. Res. Part
A. 2008, 87, 156-164.
[133] M. Arruebo, R. Fernandez-Pacheco, S. Irusta, J. Arbiol, M.R. Ibarra, J. Santamaria,
Sustained release of doxorubicin from zeolite–magnetite nanocomposites prepared by
mechanical activation, J. Nanotechnology. 2006, 17, 4057-4064.
[134] W. Shan, T. Yu, B. Wang, J. Hu, Y. Zhang, X. Wang, Y. Tang, Magnetically
Separable Nanozeolites: Promising Candidates for Bio-Applications, Chem. Mater. 2006,
18, 3169.
[135] C.F. Linares, S. Solano, G. Infante, The influence of hydrotalcite and cancrinite-type
zeolite in acidic aspirin solutions, Micropor. Mesopor. Mater. 2004, 74, 105-110.
[136] M.C. Bonferoni, G. Cerri, M. Gennaro, C. Juliano, C. Caramella, Zn2+-exchanged
clinoptilolite-rich rock as active carrier for antibiotics in anti-acne topical therapy: Invitro characterization and preliminary formulation studies, App. Clay. Sci. 2007, 36, 95102.
[137] G. Cerri, M. Gennaro, M.C. Bonferoni, C. Caramella, Zeolites in biomedical
application: Zn-exchanged clinoptilolite-rich rock as active carrier for antibiotics in antiacnetopical therapy, App. Clay. Sci. 2004, 27, 141-150.
[138] R.C. Rowe, P.J. Sheskey, M.E. Quinn, Handbook of pharmaceutical excipients. Sixth
edition, Pharmaceutical Press and American Pharmacists Association, London, 2009.
[139] M.A. Moustafa, H. I. Al-Shora, M. Gaber, M.W. Gouda, Decreased bioavailability
of quinidine sulphate due to interactions with adsorbent antacids and antidiarrhoeal
mixtures, Inter. J. Pharm. Sci. 1987, 34, 207-211.
[140] S.T. Oh, O.J. Kwon, B.C. Chun, J.W. Cho, J.S. Park, The Effect of Bentonite
concentration on the Drug Delivery Efficacy of a pH-sensitive Alginate/Bentonite
Hydrogel, Fiber. Polym. 2009, 1, 21-26.
181
[141] R. Ponampalam, E.T. Otten, In vitro adsorption of lithium by bentonite, Singapore.
Med. J. 2002, 43, 86-89.
[142] S.K. Sahoo, S. Parveen, J.J. Panda The present and future of nanotechnology in
human health care, Nanomed.: Nanotech. Biol. Med. 2007, 3, 20‑31.
[143] M. Paradise, T. Goswami, Carbon nanotubes – Production and industrial
applications, Mater. Design. 2007, 28, 1477‑1489.
[144] B.R. Azamian, J.J. Davis, K.S. Coleman, C.B. Bagshaw, M.L.H. Green,
Bioelectrochemical single-walled carbon nanotubes, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 1266412665.
[145] P. Kohli, C.R. Martin, Smart Nanotubes for Biotechnology, Curr. Pharml. Biotech.
2005, 6, 35-47.
[146] G. Pastorin, W. Wu, S. Wieckowski, J.P. Briand, K. Kostarelos, M. Prato, A. Bianco,
Double functionalisation of carbon nanotubes for multimodal drug delivery, Chem.
Commun. 2006, 21, 1182-1184.
[147] W. Wu, S. Wiechowski, G. Pasterin, M. Benincasa, C. Klumpp, J.P. Briand, R.
Gennaro, M. Prato, A. Bianco, Targeted Delivery of Amphotericin B to Cells by Using
Functionalized Carbon Nanotubes, Angew. Chem. Int. Edit. 2005, 44, 6358‑62.
[148] E. Herzog, A. Casey, F.M. Lyng A new approach to the toxicity testing of carbonbased nanomaterials - The clonogenic assay Toxicol. Lett. 2007, 174, 49‑60.
[149] A. M. Pacholczyk, A.P. Terzyk, M. Wiśniewski, Perspektywy zastosowania nowych
materiałów węglowych w kontrolowanym uwalnianiu leków, Wiadomości Chemiczne.
2010, 64, 23-44.
[150] A. Ślusarczyk, J. Kowalczewski, Z. Paszkiewicz, D. Marczak, Zastosowanie
porowatych wszczepów kompozytowych hydroksyapatyt-TCP w ortopedii, Chirurgia
Narządów Ruchów i Ortopedia Polska, 2008, 73, 196-200.
[151] M. Baro, E. Sanchez, A. Delgado, A. Perera, C. Evora, In vitro-in vivo
characterization of gentamicin bone implants, J. Controlled. Release. 2002, 83, 353-364.
[152] S. Bose, S, Tarafder, Calcium phosphate ceramic systems in growth factor and drug
delivery for bone tissue engineering: A review, Acta. Biomater. 2012, 8, 1401-1421.
[153] C. Deng, J. Weng , X. Lu, S.B. Zhou, J.X. Wan, S.X. Qu, B. Feng, X.H. Li,
Preparation and in vitro bioactivity of poly(D,L-lactide) composite containing
hydroxyapatite nanocrystals, Mater. Sci. Eng. C. 2008, 28, 1304-1310.
182
[154] Z. Polesiński, J. Karaś, Z. Jeagermann, Ceramiczne wszczepy antybakteryjne, Szkło i
Ceramika. 2003, 54, 2-10.
[155] O. Pillai, R. Panchagnula, Polymers in drug delivery, Curr. Opin. Chem. Biol. 2001,
5, 447–451.
[156] N. Angelova, D. Hunkeler, Rationalizing the design of polymeric biomaterials,
Trends. Biotechnol. 1999, 17, 409-421.
[157] T.A. Sonia, C.P. Sharma, Chitosan and Its Derivatives for Drug Delivery
Perspective, Adv. Polym. Sci. 2011, 243, 23-54.
[158] O.P. Rubino, R. Kowalsky, J. Swarbrick, Albumin microspheres as a drug delivery
system: relation among turbidity ratio, degree of cross-linking and drug release, Pharm.
Res. 1993, 10, 1059-1065.
[159] M.T. Sam, D.S. Gayathri, V.V. Prasanth, B. Vinod, NSAIDs as microsphe, Inernet. J.
Pharmcol. 2008, 6, 1‑18.
[160] O.C.M Chan, K.F. So, B.P. Chan, Fabrication of nano fibrous‑collagen
microspheres for protein delivery and effects of photochemical crosslinking on release
kinetics, J. Controlled Release. 2008, 129, 135‑143.
[161] W.J. Lin, W.W. Kang, Comparison of chitosan and gelatin coated microparticles:
prepared by hot-melt method, J. Microencapsul. 2003, 20, 169-177.
[162] V.R. Sinha, A.K. Singla, S. Wadhawan, R. Kaushik, R. Kumria, K. Bansal, S.
Dhawan, Chitosan microspheres as a potential carrier for drugs, Int. J. Pharm. 2004, 274,
1-33.
[163] E. Szymańska, K. Winnicka, Mikrosfery – nowoczesna postać leku do oczu o
kontrolowanym uwalnianiu, Technologia postaci leku. 2009, 65, 378-386.
[164] G. Vilar, J. Tulla-Puche, F. Albericio, Polymers and drug delivery systems, Curr.
Drug. Deliv. 2012, 9, 1-28.
[165] Z. Zhao, J. Wang, H.Q. Mao, K.W. Leong, Polyphosphoesters in drug and gene
delivery, Adv. Drug. Deliv. Rew. 2003, 55, 483-499.
[166] O. Pillai, R. Panchagnula, Polymers in drug delivery, Curr. Opin. Chem. Biol. 2001,
5, 447-451.
[167] W. Dong, R. Bodmeier, Encapsulation of lipophilic drugs within enteric
microparticles by a novel coacervation method, Int. J. Pharm. 2006, 1, 128-138.
[168] Z. Liu, W. Lu, L. Qian, X. Zhang, P. Zeng, J. Pan, In vitro and in vivo studies on
mucoadhesive microspheres of amoxicillin, J. Controlled. Release, 2005, 20, 135-144.
183
[169] M. Sobczak, E. Olędzka, W.L. Kołodziejski, R. Kuźmicz, Polimery do zastosowań
farmaceutycznych, Polimery. 2007, 52, 411-420.
[170] S.H. Medina, M.E.H. El-Sayed, Dendrimers as Carriers for Delivery of
Chemotherapeutic Agents, Chem. Rev. 2009, 109, 3141–3157.
[171] N. Malik, E.G. Evagorou, R. Duncan, Dendrimer-platinate: a novel approach to
cancer chemotherapy, Anticancer. Drugs. 1999, 10, 767–776.
[172] P. Kolhe, E. Misra, R.M. Kannan, S. Kannan, M. Lieh-Lai, Drug complexation in
vitro release and cellular entry of dendrimers and hyperbranched polymers, Int. J. Pharm.
2003, 259, 143–160.
[173] T.F. Vandamme, L. Brobeck, Poly(amidoamine) dendrimers as ophthalmic vehicles
for ocular delivery of pilocarpine nitrate and tropicamide, J. Controlled Release. 2005,
102, 23–38.
[174] E. S. Gil, S. M. Hudson, Stimulireponsive polymers and their bioconjugates, Prog.
Polym. Sci. 2004, 29, 1177–1222.
[175] J. M. Rosiak, F. Yoshii, Hydrogels and their medical applications, Nucl. Instr.
Methods Phys. Res. 1999, 151, 56-64.
[176] T.M. Allen, P.R. Cullis, Liposomal drug delivery systems: From concept to clinical
applications, Adv. Drug. Deliv. Rev. 2013, 65, 36–48.
[177] P.R. Kulkarni, J.D. Yadav, K.A. Vaidya, Liposomes: A novel drug delivery systems,
Int. J. Curr. Pharm. Res. 2011, 3, 10-18.
[178] S.W. Song, K. Hidajat, S. Kawi, Functionalized SBA-15 Materials as Carriers for
Controlled Drug Delivery: Influence of Surface Properties on Matrix−Drug Interactions,
Langmuir. 2005, 21, 9568-9575.
[179] R. Mellaerts, J. A. G. Jammaer, M. Van Speybroeck, H. Chen, J. Van Humbeeck, P.
Augustijns, G. Van den Mooter, J.A. Martens, Physical State of Poorly Water Soluble
Therapeutic Molecules Loaded into SBA-15 Ordered Mesoporous Silica Carriers: A Case
Study with Itraconazole and Ibuprofen, Langmuir. 2008, 24, 8651-8659.
[180] C. Charnay, S. Bégu, C. Tourné-Péteilh, L. Nicole, D.A. Lerner, J.M. Devoisselle,
Inclusion of ibuprofen in mesoporous templated silica: drug loading and release property,
Eur. J. Pharm. Biopharm. 2004, 57, 533–540.
[181] A. Devaux, K. Lutkouskaya, G. Calzaferri, Nanochannels for Supramolecular
Organisation of Dyes, Chimia 2007, 61, 626–630.
184
[182] M. Pauchard, A. Devaux, G. Calzaferri, Dye-Loaded Zeolite L Sandwiches as
Artificial Antenna Systems for Light Transport, Chem. Eur. J. 2000, 6, 3456–3470.
[183] Q. Huo, D.I. Margolese, U. Ciesla, P. Feng, T. E. Gier, P. Sieger, R. Leon, P.M.
Petroff, F. Schueth, G.D. Stucky, Generalized synthesis of periodic surfactant/inorganic
composite materials, Nature 1994, 368, 317-321.
[184] A. Ruiz-Garcia, M. Bermejo, A. Moss, V.G. Casabo, Pharmacokinetics in drug
discovery, J. Pharm. Sci. 2008, 97, 654–690.
[185] S. Dhillon, A. Kostrzewski, Clinical Pharmacokinetics, Pharmaceutical Press,
London, 2006.
[186] P.Costa, J.M.C. Lobo, Modeling and comparison of dissolution profiles, J. Pharm.
Sci. 2001, 13, 123-133.
[187] F.O. Costa, J.J.S. Sousa, A.A.C.C. Pais, S.J. Formosinho, Comparison of
dissolution profiles of Ibuprofen pellets, J. Controlled Release. 2003, 89, 199-212.
[188] S. Dash, P.N. Murthy, L. Nath, P. Chowdhury, Kinetic modeling on drug release
from controlled drud delivery systems, Acta Pol. Pharm-Drug Res. 2010, 67, 217-223.
[189] J.S. Boateng, K.H. Mattews, A.D. Auffret, M.J. Humphery, H.N. Stevens, G.M.
Eccleston, In vitro dtug release studies of polymericfreeze-dried wafers and solvent-cast
films using paracetamol as a model soluble drug, Inter. J. Pharm. 2009, 387, 66-72.
[190] M. H. Shoaib, J. Tazeen, H.A. Merchant, R. I. Yousuf, Evaluation of drug release
kinetics from ibuprofen matrix tablets using HPMC, Pak. J. Pharm. Sci. 2006, 19, 119-124.
[191] R. Jain, A. Pandey, S.S. Pandeya, Mechanism of dissolution of delayed release
formulation of diclofenac sodium, Chemistry. 2009, 18, 131-138.
[192] A. Farzana, S. Halder, M.L. Shuma, A.S.S. Rouf, In vitro release kinetics study of
indomethacin 12hr matrix tablet from Methocel K4M CR and Methocel K15M CR, J.
Biomed. Pharm. Resch. 2012, 1, 60-65.
[193] Y. Xu, F. Qu, Y. Wang, H. Lin, X. Wu, Y. Jin, Construction of a novel pH-sensitive
drug release system from mesoporous silica tablets coated with Eudragit, Solid State Sci.
2011, 13, 641-646.
[194] S.G. Kazarian, G.G. Martirosyan, Spectroscopy of polymer/drug formulations
processed with supercritical fluids: in situ ATR–IR and Raman study of impregnation of
ibuprofen into PVP, Inter. J. Pharm. 2002, 232, 81-90.
185
[195] Z. Liu, S. Tabakman, K. Welsher, H. Dai, Carbon Nanotubes in Biology and
Medicine: In vitro and in vivo Detection, Imaging and Drug Delivery, Nano. Res. 2009, 1,
85-120.
[196] P.F. Taday, I.V. Bradley, D.D. Arnone, M. Pepper, Using Terahertz Pulse
Spectroscopy to Study the Crystalline Structure of a Drug: A Case Study of the Polymorphs
of Ranitidine Hydrochloride, J. Pharm. Sci. 2003, 92, 831-838.
[197] J. Axel Zeitler, Philip F. Taday, David A. Newnham, Michael Pepper, Keith C.
Gordon, T. Rades, Terahertz pulsed spectroscopy and imaging in the pharmaceutical
setting – a review, J. Pharm. Pharmacol. 2007, 59, 209-223.
[198] H. Hajdar, H. Balard, E. Papirer, An inverse gas chromatography study of crystalline
and amorphous silicas, Colloid. Surf. A. 1995, 99, 45–51.
[199] ZY. Al-Saigh, Inverse gas chromatography for the characterization of polymer
blends, Int. J. Polym. Anal. Charact. 1997, 3, 249–291.
[200] I.M. Grimsey, J.C. Feeley, P. York, Analysis of the surface energy of pharmaceutical
powders by inverse gas chromatography, J. Pharm. Sci. 2002, 91, 571–583.
[201] S.C. Das, P.J. Stewart, Characterising surface energy of pharmaceutical powders by
inverse gas chromatography at finite dilution, J. Pharm. Pharmacol. 2012, 64, 1337–1348 .
[202] A. Voelkel, B. Strzemiecka, K. Adamska, K. Milczewska, Inverse gas
chromatography as a source of physiochemical data, J. Chromatogr. A. 2009, 1216, 1551–
1566.
[203] N.M. Davies, Clinical pharmacokinetics of ibuprofen The First 30 Years, Clin.
Pharmacokinet. 1998, 34, 101-154.
[204] Materiały informacyjne firmy Evonic: Fumed silica AEROSIL.
[205] Materiały informacyjne firmy Evonic : Precipitated Silica.
[206] N.A. Peppas, K.B. Keys, M. Torres-Lugo, A.M. Lowman, Poly(ethylene glycol)containing hydrogels in drug delivery, J. Controlled Release. 1999, 62, 81-87.
[207] A. Hatefi, B. Amsden, Biodegradable injectable in situ forming drug delivery
systems, J. Controlled. Release. 2002, 80, 9-28.
[208] Materiały informacyjne firmy Evonic: Eudragit RS PO.
[209] J. Andersson, E. Johannessen, S. Areva, N. Baccile, T. Azais, M. Linden, Physical
properties and in vitro bioactivity of hierarchical porous silica–HAP composites, J. Mater.
Chem. 2007, 17, 463-468.
186
[210] N.M. Belgacem, A. Gandini, IGC as a tool to characterize dispersive and acid-base
properties of the surface of fibers and powders, in: E. Pefferkorn (Ed.), Interfaciacl
phenomena in chromatography, Marcel Dekker, New York, 1999, 41-124.
[211] F. M. Fowkes, Attractive Forces at Interfaces, Ind. Eng. Chem. Res. 1964, 56, 40 –
52.
[212] J. Gassan, V.S. Gutkowski, A.K. Bledzki, About the surface characteristics of
natural fibres, Macromol.Mater.Eng. 2000, 283, 132-139.
[213] D.A. Jesson, M.L Abel, J.N. Hay, P.A. Smith, J.F. Watts Organic-Inorganic Hybrid
Nanoparticles: Surface Characteristics and Interactions with a Polyester Resin, Langmuir
2006, 22, 5144-5151.
[214] J. Schultz, L. Lavielle, C. Martin, The role of the interface in carbon fiber - epoxy
composites, J. Adhesion, 1987, 23, 45-60.
[215] U. Mayer, V. Gutmann, W. Gerger, The acceptor number — A quantitative
empirical parameter for the electrophilic properties of solvents, Monatsh. Chem.
1975, 106, 1235-1257.
[216] C. Bilgic¸ F. Tumsek, Determination of the acid/base properties of MgY and NH4Y
molecular sieves by inverse gas chromatography. J. Chromatogr. A. 2007, 1162, 83–89.
[217] V. Dutschk, E. Pisanova, S. Zhandarov, B. Lauke, Fundamental and practical
adhesion in polymer–fiber systems, Mech. Compos. Mater. 1998, 34, 309–20.
[218] F.M. Fowkes, Role of acid–base interfacial bonding in adhesion. J. Adhes. Sci.
Technol. 1987, 1, 7–27.
[219] C. Oss, R. Good, M. Chaudhury Additive and nonadditive surface tension
components and the interpretation of contact angles, Langmuir 1988,4, 884–891.
[220] J.Ch. Huang, R.D. Deanin, Concentration dependency of interaction parameter
between PVC and plasticizers using inverse gas chromatography. J. Appl. Polym. Sci.
2004, 91, 146–156.
[221] K. Milczewska, A. Voelkel, Inverse gas chromatography in characterization of
composites interaction. in: Advanced gas chromatography—Progress in agricultural,
biomedical and industrial applications; Mohd MA, Ed. Rijeka, Croatia: InTech, 2012, 421–
436.
[222] Polska norma PN-ISO 9277, Oznaczanie powierzchni właściwej ciał stałych przez
adsorpcję gazu metodą BET, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2000.
187
[223] E. Papirer, A. Vidal, W.M. Jiao, J.B. Donnet, Modification of Silica Surfaces by
Grafting of Alkyl Chains. II - Cheractedzation of Silica Surfaces by Inverse Gas-Solid
Chromatography at Finite Concentration, Chromatographia. 1987, 23, 279-285.
[224] D.Y. Kwok, A.W. Neumann, Contact angle measurement and contact angle
interpretation, Adv. Colloid. Interface. Sci. 1999, 81, 167-249.
[225] E. Chibowski, On some relations between advancing, receding and Young's contact
angles, Adv. Colloid. Interface. Sci. 2007, 133, 51-59.
[226] E. Chibowski, R. Perea-Carpio, Problems of contact angle and solid surface free
energy determination, Adv. Colloid. Interface. Sci. 2002, 98, 245-264.
[227] N.V. Churaev, V.D. Sobolev, Wetting of low-energy surfaces, Adv. Colloid.
Interface. Sci. 2007, 134, 15-23.
[228] C. Oss, R.J. Good, M.K. Chaudhury, The role of van der Waals forces and hydrogen
bonds in "hydrofobic interactions" between biopolymers and low energy surface J. Coll.
Interf. Sci. 1986, 111, 378.
188
STRESZCZENIE
Tworzenie materiałów hybrydowych do zastosowania w kompozycjach o
przedłużonym uwalnianiu substancji aktywnej jest podstawowym kierunkiem badań
mających na celu opracowanie nowych postaci leku. Opracowanie i wprowadzenie do
praktyki
nowej
substancji
pomocniczej
–
matrycy
hybrydowej
wiąże
się
z
przeprowadzeniem szeregu badań, w tym również badań fizykochemicznych. Dlatego,
celem pracy było wyselekcjonowanie i otrzymanie odpowiedniego materiału hybrydowego
jako nośnika substancji aktywnej, który zapewni jej przedłużone uwalnianie.
Badania prowadzone w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej dotyczyły
poszukiwań
odpowiednich
materiałów
nadających
się
do
utworzenia
układów
hybrydowych - nośników substancji aktywnej. Jako modelową substancję aktywną
zastosowano ibuprofen - niesteroidowy lek przeciwzapalny, przeciwgorączkowy i
przeciwbólowy. Dobór materiałów do tworzenia nośnika był uwarunkowany jego
późniejszym zastosowaniem. Badania prowadzono pod kątem ich wykorzystania do
postaci doustnych lub do ubytków kostnych. Przy wyborze substancji pomocniczych
kierowano się również tym, że powinny się one znajdować na liście substancji
pomocniczych. Jednym z obowiązkowych kroków w trakcie opracowywania nowego
nośnika substancji aktywnej jest określenie jego właściwości fizykochemicznych. Dlatego
w pracy poszukiwano techniki, która w sposób trafny pomogłaby znaleźć właściwe
wartości parametrów wpływające na szybkość uwalnianej substancji aktywnej.
W
części
teoretycznej
pracy
scharakteryzowano
materiały
hybrydowe,
z uwzględnieniem metod ich otrzymywania, właściwości i potencjalnego zastosowania.
Następnie opisano zagadnienia dotyczące systemów dostarczania substancji aktywnej,
form
i dróg podania leków oraz modelowych substancji aktywnych. Dokonano
szczegółowego przeglądu literatury dotyczącego nośników substancji leczniczych oraz
omówiono
możliwości
wprowadzenia
substancji
aktywnej
na
nośnik.
Ponadto
przedstawiono metody fizykochemiczne charakterystyki materiałów hybrydowych oraz
badania dostępności farmaceutycznej.
W części eksperymentalnej dokonano charakterystyki materiałów wyjściowych
potrzebnych do utworzenia układu hybrydowego oraz opisano metodę ich tworzenia w
zależności od ich późniejszego wdrożenia aplikacyjnego. W pracy zajęto się badaniami
właściwości strukturalnych nośnika, określono stopień jednorodności materiałów
hybrydowych oraz podjęto próby wyznaczenia wielkości oddziaływań pomiędzy
189
składnikami układu. Istotnym elementem badań była ocena wpływu poszczególnych

'
parametrów (  SD ,  12
,  23
,KA,KD) wyznaczonych metodą odwróconej chromatografii
gazowej, na przedłużone uwalnianie substancji aktywnej oraz znalezienie zakresów
wartości
parametrów
pozwalających
na
osiągnięcie
przewidywanego
przedziału
czasowego uwalnianej substancji aktywnej. Wyznaczone parametry skorelowano z
wynikami badań in vitro. Badania dowiodły, że kluczowym elementem obliczeń było
'
wyznaczenie parametru  23
, który wyraża wielkość oddziaływań pomiędzy składnikami w
'
układach złożonych. Dla badanych układów hybrydowych, wartość parametru  23
wynosząca zero lub przyjmująca lekko dodatnie wartości, wskazywała na silniejsze
oddziaływania między składnikami i przedłużone uwalnianie substancji aktywnej.
Spośród badanych materiałów, najbardziej przedłużony profil uwalniania substancji
aktywnej wykazywały układy zawierające PLA lub EUD. Dodatkowo układy hybrydowe
charakteryzujące się większą aktywnością powierzchniową, wykazywały kontrolowane
uwalnianie - większa ilość uwolnionej substancji aktywnej na początku, a następnie
utrzymanie stałego poziomu przez dłuższy okres czasu.
W toku prowadzonych badań, podjęto próbę zastosowania otrzymanych scaffoldów
do nośników substancji leczniczej w ubytkach kostnych. Wyniki badań in vitro
skorelowano również z wynikami otrzymanymi z IGC. Dla tej grupy materiałów
'
stwierdzono, że najmniejsze wartości parametru  23
otrzymane dla scaffoldów o
porowatości 80%
były związane z szybkim uwalnianiem IB. Dlatego, decydującym
czynnikiem, który wpływa na szybkość uwalniania ibuprofenu była porowatość scaffoldu.
Profile uwalniania z postaci pastylek i scaffoldów o porowatości 50% są zbliżone do siebie
i wykazują efekt przedłużonego uwalniania substancji aktywnej. Natomiast dla wszystkich
układów uwalnianie ze scaffoldów o porowatości 80% jest większe, co oznacza, że profil
uwalniania ma bardziej charakter kontrolowany.
Tematyka podjęta w ramach niniejszej dysertacji oprócz elementów poznawczych
miała duże znaczenie praktyczne. Zastosowanie odwróconej chromatografii gazowej
pozwoliło wyznaczyć zakres wartości parametrów wpływających na szybkość uwalnianej
substancji
aktywnej.
Nieliczne
doniesienia
literaturowe
na
temat
powiązania
wyznaczanych parametrów IGC z badaniami in vitro, skłoniły do prowadzenia tego typu
badań, mając na uwadze otrzymanie układów w szczególności charakteryzujących się
przedłużonym uwalniania modelowych substancji farmakologicznie aktywnych.
190
ABSTRACT
The primary direction of research in the development of new dosage forms is
creating hybrid materials for the use in sustained release of active agent. Development and
introduction into practice of the new excipient - hybrid matrix is associated with a series of
experiments including physicochemical tests. Therefore, the aim of research was obtaining
and selection of the hybrid materials as a carrier for active agent which will ensure its
sustained release.
The studies carried out in this doctoral dissertation focused on searching
appropriate materials for the creation of hybrid materials as carriers of active substance. As
active agent was used ibuprofen - a representative of non-steroidal anti-inflammatory
drugs. Selection of materials to create the carriers depended on its later use. The tests were
performed in terms of their oral use or bone defects. In selection of carriers materials it was
also important that they should be on the list of excipients. One of the basic steps in the
process of developing the new carrier of active agent was to determine the
physicochemical properties. Therefore, the technique which would help to find the
appropriate values of the parameters to affect the release rate of the active substance was
searched.
In the theoretical part hybrid materials, including methods for their preparation,
properties and potential application were characterize. Then, it describes issues related to
the active substance delivery systems, forms and routes of administration of drugs and
model active substances. A detail survey of literature on the carriers active substance was
made and the possibility of introducing the active agent in the media was discussed. In
addition, the methods of physicochemical characterization of hybrid materials and the
availability of active pharmaceutical ingredient were presented.
In the experimental part of the starting materials needed to create the hybrid system
was characterized and describes how to create them based on their later implementation of
the application. The study of structural properties of the carrier, the degree of homogeneity
of the hybrid materials and determination the magnitude of interaction between the
components of the system were designated. An important element of the study was the

'
evaluation the effect of various parameters (  SD ,  12
,  23
,KA,KD) determined by inverse gas
chromatography, for the sustained release of the active substance and ranges of parameter
values which gives the expected time interval of the release active substance was found.
191
The designated parameters were correlated with the in vitro results. Research has shown
that a key element of the calculation was to determine the parameter that expresses the
magnitude of the interactions between the components in complex systems. For studied
'
hybrid systems, the value of  23
parameter adopting a slightly positive values or close to
zero indicated a stronger interaction between the components and sustained release of the
active substance. Among those materials, the most prolonged release profile of the active
substance showed systems containing PLA or EUD. In addition, hybrid systems are
characterized by higher surface activity exhibited controlled release - higher amount of
active substance released at first, and then maintain a constant level for a long period of
time.
The possibility of applying received scaffolds as a drug carriers was examined.
Results of in vitro study was correlated also with the results obtained from IGC. For this
'
group of materials, it was found that the smallest value of  23
parameter obtained for a
scaffold with 80% porosity were associated with a rapid release of IB. The decisive factor
that affects the release rate of ibuprofen was the porosity of the scaffold. The release
profiles of pellets and scaffold with 50% porosity are close to each other and showed a
sustained release effect of the active agent. However, for all the systems, the release of the
scaffold with a 80% porosity is higher, which means that the release profile is more
controlled.
Besides theoretical aspects, the topics covered by this dissertation also have very
practical importance. The use of inverse gas chromatography was able to determine the
range of values of parameters influencing the rate of release of the active substance. Few
reports in the literature on the relationship between parameters determined by IGC with in
vitro studies prompted to carry out this type of research, with a view to obtaining systems
in particular have sustained release of pharmacologically active model.
192
DOROBEK NAUKOWY
Wykaz publikacji

Joanna Kołodziejek, Eliza Główka, Kinga Hyla, Adam Voelkel, Janina Lulek,
Kasylda Milczewska „Relationship between surface properties determined by
inverse gas chromatography and ibuprofen release from hybrid materials based on
fumes silica‖ International Journal of Pharmaceutics, 441 (2013) 441-448, IF: 3,35

Joanna Kołodziejek, Adam Voelkel, Karoly Heberger „Characterization of Hybrid
Materials by Means of Inverse Gas Chromatography and Chemometrics” Journal
of pharmaceutical sciences, 102 (2013) 1524-1531, IF: 3,055

Małgorzata Kasperkowiak, Joanna Kołodziejek, Beata Strzemiecka, Adam Voelkel
„Effect of impregnating agent and relative humidity on surface characteristics of
sorbents determined by inverse gas chromatography” Journal of Chromatography
A, 1288 (2013) 101-104, IF: 4,362

Beata Strzemiecka, Joanna Kołodziejek, Małgorzata Kasperkowiak, Adam Voelkel
„Influence of relative humidity on the properties of examined materials by means of
inverse gas chromatography” Journal of Chromatography A 1271 (2013) 201-206,
IF: 4,362

Beata Strzemiecka, Adam Voelkel, Joanna Kołodziejek „Inverse Gas
Chromatographic Characterization of Aluminosilicates as Fillers for Abrasive
Articles” Chromatographia, 75 (2012) 353-360, IF: 1,195

B. Strzemiecka, J. Kołodziejek, A. Voelkel „Ocena możliwości zastosowania
nowych, proekologicznych napełniaczy glinokrzemianowych (zeolitów i perlitów)
do spoiw żywicznych stosowanych do produkcji narzędzi ściernych” Materiały
Polimerowe ‗2010, Szczecin 2010, str. 659-664
Udział w konferencjach międzynarodowych

Joanna Kołodziejek, Magdalena Szubert, Adam Voelkel ―Hydroxyapatite scaffolds
use in sustained release of ibuprofen - synthesis and characterization‖ 3rd Word
Conference on Physico-Chemical Methods in Drug Discovery and Development,
Dubrovnik, 21-26.09.2013r. (poster)

Joanna Kołodziejek, Adam Voelkel, Eliza Główka, Janina Lulek ―Relationship
between surface properties determined by inverse gas chromatography and
ibuprofen release from hybrid materials‖ 3rd Summer Symposium on
Nanomaterials and their application to Biology and Medicine, Poznań, 1619.06.2013r. (poster)

Joanna Kołodziejek, Adam Voelkel ―Physico-chemical properties of hybrid
materials determined by inverse gas chromatography with potencial use in
pharmaceutics” Third International Conference on Multifunctional, Hybrid and
Nanomaterials, (Hybrid Materials 2013), Sorento, 03-07.03.2013r. (poster)
193






J. Kołodziejek, A. Voelkel „Application of Inverse Gas Chromatography in the
characterization of pharmaceutical hybrid materials‖ XXXV SYMPOSIUM nt.
CHROMATOGRAPHIC METHODS OF INVESTIGATING THE ORGANIC
COMPOUNDS, Szczyrk, 29.05-01.06.2012r. (komunikat ustny)
J. Kołodziejek, A. Voelkel, M. Kasperkowiak, B. Strzemiecka „Application of
Inverse Gas Chromatography for assessment of useful of different sorbents extraction bed‖ 29th International Symposium on Chromatography, Toruń, 913.09.2012r. (poster)
A. Voelkel, J. Kołodziejek, M. Kasperkowiak, B. Strzemiecka „Influence of
relative humidity on the properties of examined materials by means of Inverse Gas
Chromatography‖ 29th International Symposium on Chromatography, Toruń,
9-13.09.2012r. (komunikat ustny)
J. Kołodziejek, A. Voelkel, K. Héberger „Chemometric methods in
characterization of hybrid materials by means of inverse gas chromatography‖
XIIIth Conference on Chemometrics in Analytical Chemistry, Budabeszt, 2529.06.2012r. (poster)
J. Kołodziejek, Ż. Olszak, A. Voelkel ―Inverse Gas Chromatography in the
examination of modern organic-inorganic hybrid materials‖ The XXXIIIrd
SYMPOSIUM CHROMATOGRAPHIC METHODS OF INVESTIGATING THE
ORGANIC COMPOUNDS', Katowice-Szczyrk, 08-10.06.2011r. (komunikat
ustny)
A. Voelkel, J. Kołodziejek, K. Milczewska ―Data evaluation in characterization of
hybrid materials by means of inverse gas chromatography‖ Conferentia
Chemometrica 2011, Sümeg, Hungary, 18-21.09.2011r. (komunikat ustny)
Udział w konferencjach krajowych



J. Kołodziejek, K. Milczewska, A. Voelkel „Nowoczesne materiały hybrydowe do
zastosowań farmaceutycznych‖ Misja chemo-, bio- i nanotechnologii w
Wielkopolskim Centrum Zaawansowanych Technologii. Materiały i Biomateriały,
Poznań 28-29.11.2011r. (poster)
B. Strzemiecka, J. Kołodziejek „Fizykochemiczne właściwości perlitów i wielkość
ich oddziaływań z żywicą oznaczane metodą odwróconej chromatografii gazowej‖
IX Konferencja Chromatograficzna, Poznań, 26-29.06.2011r. (poster)
J. Kołodziejek, B. Strzemiecka, A. Voelkel „Ocena możliwości zastosowania
nowych, proekologicznych napełniaczy glinokrzemianowych (zeolitów i perlitów)
do spoiw żywicznych stosowanych do produkcji narzędzi ściernych‖ Konferencja
Materiały Polimerowe Pomerania-Plast, Kołobrzeg, 8-11.06.2010r. (komunikat
ustny)
Udział w projektach badawczych


„Biotechnologiczna konwersja glicerolu do polioli i kwasów dikarboksylowych‖
POIG 01.01.02-00-074/09, lata realizacji 2010-2014r.
"Ograniczenie procesów starzenia ściernic ze spoiwem żywicznym" nr
PBS1/A1/7/2012, lata realizacji 2012-2014r.
194

Show publication content!

Transkrypt

Podobne dokumenty

informacja - Gmina Wola Mysłowska

TRWA REKRUTACJA NA SZKOLENIA ZAWODOWE W czerwcu 70

PRAWNIK - Urząd Gminy Karniewo

Konferencja Europejski Rok Aktywności Osób Starszych i

Ośrodek Pomocy Społecznej w Uścimowie 21

Opis metody Aktywnej Sprzedaży. Kluczowym

ulotka informacyjna - Urząd Gminy Pruszcz Gdański

Zapytanie ofertowe GOPS - szkolenie zawodowe "Pracownik zieleni"

a polityka integracji społecznej (social inclusion)