Show publication content!
Transkrypt
Show publication content!
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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 12.1. Niskotemperaturowa adsorpcja azotu ............................................................................. 80 12.2. Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego .................................................................. 82 12.3. Skaningowa mikroskopia elektronowa ............................................................................ 85 12.4. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera ............................................... 87 12.5. Spektroskopia Ramana .................................................................................................... 94 12.6. Odwrócona chromatografia gazowa ............................................................................. 104 12.6.1. Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej jako miara aktywności materiałów hybrydowych ....................................................................................................... 104 12.6.2. Charakterystyka właściwości kwasowo-zasadowych materiałów hybrydowych........ 108 12.6.3. Ocena stopnia pokrycia materiału hybrydowego przez polimer za pomocą parametru 12 ......................................................................................................................................... 111 12.6.4. Charakterystyka oddziaływań substancja aktywna-nośnik ........................................ 121 12.7. Badanie kinetyki uwalniania substancji aktywnej z materiałów hybrydowych w warunkach in vitro ................................................................................................................. 127 12.8. Analiza chemometryczna ............................................................................................... 131 13. Powtórna charakterystyka oddziaływań substancja aktywna-nośnik ................................... 144 14. Charakterystyka nośników do ubytków kostnych ................................................................ 147 14.1. Odwrócona chromatografia gazowa ............................................................................. 147 14.1.1. Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej jako miara aktywności materiałów hydroksyapatytowych .......................................................................................... 147 14.1.2. Składowa specyficzna swobodnej energii powierzchniowej jako miara 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej STRESZCZENIE ......................................................................................................................... 189 ABSTRACT .................................................................................................................................. 191 7 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej (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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej (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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej (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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 3. Uwalnianie substancji leczniczej Jednym z rodzajów kontrolowanego dostarczania leku jest technologia OROS czyli doustne systemy dostarczania substancji czynnej z osmotycznie kontrolowanym uwalnianiem. Szybkość uwalniania substancji jest zgodna z kinetyką zerowego rzędu. Rysunek 4 przedstawia różnice między przedłużonym a kontrolowanym uwalnianiem substancji aktywnej. Rysunek 4. Uwalnianie substancji leczniczej [90] W technologii OROS można wyróżnić trzy systemy. System jednokomorowy (Rysunek 5) stworzony dla substancji aktywnych rozpuszczalnych w wodzie. W jego skład wchodzi komora otoczona membraną, przepuszczająca wodę do wnętrza systemu. Woda powoduje rozpuszczenie substancji aktywnej, w efekcie tworzy się wysokie ciśnienie osmotyczne, następnie woda wraz z substancją aktywną wydostaje się przez szczelinę dostarczającą do światła żołądka lub jelit. 24 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 105C) DIN ISO 787/II Strata po prażeniu (2 godz. w 1000C) DIN ISO 55921 pH DIN ISO 787/IX SiO2 Zawartość węgla j.m. m2/g Aerosil®200V 20025 Aerosil®R816 19020 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej - 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 substancji aktywnej. 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 ( ATPO ) 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej „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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 1m ) 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 11.5. Skaningowa mikroskopia elektronowa Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań 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 Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań 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 Stanowisko pomiarowe i sposób przeprowadzenia badań 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Intensywność [j.w.] 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Intensywność [j.w.] zależności otrzymane z badań BET. 250 200 150 100 50 0 3 8 13 18 23 28 2 Theta Intensywność [j.w.] 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 Intensywność [j.w.] Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 3 8 13 18 23 28 2 Theta Intensywność [j.w.] 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 Intensywność [j.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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Rysunek 39. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLU w proporcji 1:1:1 564,4 360,0 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 Rysunek 40. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLU w proporcji 5:1:1 564,4 360,0 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 Rysunek 41. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLU w proporcji 5:1:5 564,4 360,0 99 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Rysunek 44. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLA w proporcji 5:1:1 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 Rysunek 45. Mapa ramanowska na obszarze 40x80 µm dla materiału hybrydowego AR+IB+PLA w proporcji 5:1:5 830,0 80 103 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 12.6. Odwrócona chromatografia gazowa 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 51. Wartości parametru 12 dla układu AR816+IB+PEG w proporcjach 1:1:1, 5:1:1, 5:1:5 114 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 52. Wartości parametru 12 dla układu AR816+IB+PLU w proporcjach 1:1:1, 5:1:1, 5:1:5 115 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 53. Wartości parametru 12 dla układu AR816+IB+PLA w proporcjach 1:1:1, 5:1:1, 5:1:5 116 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 54. Wartości parametru 12 dla układu AR816+IB+EUD w proporcjach 1:1:1, 5:1:1, 5:1:5 117 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 55. Wartości parametru 12 dla układu AR200+IB+PEG, AR200+IB+PLU, AR200+IB+PLA, AR200+IB+EUD w proporcji 5:1:5 118 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 56. Wartości parametru 12 dla układu AR200+IB+PEG w proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10 119 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 57. Wartości parametru 12 dla układu AR200+IB+PLU w proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10 120 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej ' Rysunek 58. Wartości parametru 23 dla materiałów hybrydowych w proporcjach 1:1:1, 5:1:1 i 5:1:5 z różnymi polimerami 122 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej ' 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. ' Rysunek 59. Wartości parametru 23 dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLU, AR816+IB+PLA, AR816+IB+EUD w proporcji 5:1:5 124 ' Rysunek 60. Wartości parametru 23 dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLU, AR816+IB+PLA, AR816+IB+EUD w różnych proporcjach wagowych 125 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej ' Rysunek 61. Wartości parametru 23 dla układów AR816+IB+PEG, AR816+IB+PLU, w proporcjach 10:1:2, 10:1:5, 10:1:10 126 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej b) 100 80 60 40 IB AR816+IB (1:1) AR200+IB (1:1) 20 Ilość ulolnionego ibuprofenu [%] Ilość uwolnionego 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 Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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) Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 współczynnik korelacji R kinetyki pierwszego rzędu współczynnik korelacji R kinetyki Higuchi współczynnik korelacji R 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 64. Wykres ładunków czynnikowych. 136 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 65. Rzuty przypadków na płaszczyznę czynników (1x2, 1x3, 2x3) 137 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 68. Wykres ładunków czynnikowych. 140 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 70. Diagram drzewa Rysunek 71. Diagram drzewa 143 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 72. Rzuty przypadków na płaszczyznę czynników 145 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Rysunek 73. Diagram drzewa 146 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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. 14.1. Odwrócona chromatografia gazowa 14.1.1. Składowa dyspersyjna swobodnej energii powierzchniowej jako miara aktywności 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej ' Rysunek 82. Wartości parametru 23 dla układów hybrydowych z IB w proporcjach 4:1(PS), 3:1 (SC_80) i 2:1 (SC_50) 156 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej ' Rysunek 83. Wartości parametru 23 dla układów hybrydowych z IB pokrytych polimerem w proporcjach 4:1(PS), 3:1 (SC_80) i 2:1 (SC_50) 157 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 80 PS_HA-PEG+IB SC50_HA-PEG+IB SC80_HA-PEG+IB 100 PS_HA+IB SC50_HA+IB SC80_HA+IB Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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 Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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 Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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] Ilość uwolnionego ibuprofenu [%] 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Tabela 22. Wyniki badań kinetycznych uwalnianego IB z układów hybrydowych z postaci 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 Tabela 23. Wyniki badań kinetycznych uwalnianego IB z układów hybrydowych z postaci 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej [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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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 Nowoczesne materiały hybrydowe stosowane do przedłużonego uwalniania substancji aktywnej 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