Abstract

fundal

Hidrogelurile pe bază de poli (2-hidroxietil metacrilat) (PHEMA) sunt interesante pentru aplicare în medicină datorită stabilității lor chimice, biochimice și hidrolitice [1], permeabilitate ridicată pentru oxigen și compuși solubili în apă, inclusiv metaboliți, prin rețeaua polimerică [ 2, 3], stabilitatea formei și biocompatibilitatea lor [4]. Grupările hidroxil și carbonil de pe fiecare lanț de monomeri PHEMA determină proprietățile sale hidrofile, în timp ce grupările α-metil hidrofobe și coloana vertebrală de carbon oferă rezistență la hidroliză și rezistența mecanică a matricei polimerice [5].

Există o mare varietate de metode stabilite pentru sinteza hidrogelurilor PHEMA, cum ar fi copolimerizarea [6], polimerizarea inițiată prin radiații [7] și polimerizarea radicală prin transfer atomic [8] etc. Acestea duc la formarea rețelelor reticulate sau a homopolimerilor liniari împletiți, a copolimerilor liniari sau a rețelelor semi-interpenetrante (IPN) [9].

Pentru a îmbunătăți stabilitatea și proprietățile mecanice ale PHEMA și pentru a-și menține hidrofilicitatea, a fost propusă sinteza IPN a acestui polimer cu poliuretan (PU) [12]. Introducerea în matrice mixtă PU/PHEMA a materialelor de umplutură speciale, în special silice nanosizată cu compuși biologic activi (BAC) care se imobilizează pe suprafața sa, permite crearea de compozite cu proprietăți farmacologice specifice [13]. Modificarea adsorbției nanosilicii fumurii permite transformarea BAC într-o stare foarte dispersivă și obținerea straturilor lor mono și multimoleculare pe suprafața nanoparticulelor [14]. Această abordare încetinește considerabil migrarea BAC într-o matrice de polimeri și creează condiții pentru depunerea lor. S-a constatat că compozitele bazate pe IPN PU/PHEMA sunt netoxice, nu provoacă reacții inflamatorii locale și au proprietăți antimicrobiene [15].

Scopul acestei lucrări este sinteza materialelor bazate pe PHEMA cu eliberarea controlată de BAC. Au fost utilizate următoarele modalități de sinteză: umplerea cu nanosilica care este modificată de BAC, crearea IPN PU/PHEMA, formarea porilor cu apă ca porogen și o combinație a metodelor enumerate. În acest studiu, morfologia materialelor preparate a fost investigată prin microscopie cu scanare laser (LSM) și metode de microscopie electronică cu scanare cu vid redus (LVSEM). Interacțiunea PHEMA cu nanosilica și adsorbția BAC pe suprafața silicei au fost studiate prin IR și spectrofotometrie vizibilă. S-au examinat caracteristicile distrugerii termooxidative a compozitelor prin termogravimetrie diferențială (DTG)/analiză termică diferențială (DTA) și eliberarea de BAC din compozite în mediu acvatic.

Metode

Următoarele materiale au fost sintetizate pentru studii structurale și farmacocinetice (Tabelul 1).

Nanocompozite Nr. 6-9 bazate pe PU sau IPN 83% PU/17% PHEMA au fost sintetizate prin eforturi comune ale personalului Institutului de Chimie Macromoleculară și al Institutului Chuiko de Chimie de Suprafață al NAS din Ucraina [12, 14]. Probele aveau forma unor pelicule cu grosimea de 1 mm.

Structura poroasă a materialului după umflarea în mediu apos a fost investigată cu un microscop laser confocal LSM 510 META (Carl Zeiss, Germania), cu mărire × 600. Morfologia eșantioanelor a fost studiată prin microscopul electronic cu scanare Nova NanoSEM 450 (FEI, Germania) cu sursă de electroni cu emisie de câmp Schottky și detector SED (LVD) cu vid redus. Înainte de investigația lor, hidrogelurile (probele nr. 10-13) au fost liofilizate în vid timp de 24 de ore folosind instalația Uscător congelator CoolSafe 110-4 PRO (Danemarca), la o temperatură de -110 ° C.

Mărimea porilor din probe a fost calculată de analizorul BET BELSORP-mini II (Japonia).

Spectrele IR ale PHEMA inițiale și produsele interacțiunii sale cu nanosilica (compozitul nr. 13) au fost înregistrate pe un spectrofotometru Specord M80 (Carl Zeiss, Jena, Germania). În acest scop, probele au fost dispersate într-un mortar de agat, amestecate cu KBr (Aldrich) într-un raport de 1:50 și presate în plăci de dimensiunea 5 × 20 mm.

O interacțiune a HEMA cu suprafața nanosilicei în mediu apos a fost examinată cu ajutorul metodei de adsorbție. O concentrație de echilibru a HEMA în soluție a fost determinată prin spectrofotometrie înapoi după oxidare cu dicromat de potasiu, λ = 440 nm [17]. Au fost utilizate diferite metode spectrofotometrice pentru a determina concentrația de BAC în soluție pentru a studia adsorbția lor pe nanosilica (vezi mai jos).

Pentru a studia cinetica de eliberare a BAC, probele de nanocompozite au fost dispersate în apă distilată și concentrația substanței eliberate a fost măsurată în mediu prin intervale regulate de timp. Concentrația ionilor Zn 2+ și Ag + a fost determinată prin metoda de extracție-fotometrică pe baza reacției de dithizon în mediu acid [18, 19]. Conținutul de metronidazol a fost măsurat la absorbția maximă la lungimea de undă de 318 nm. Concentrația de decametoxină a fost determinată prin metoda fotocolorimetrică pe baza reacției de eozină [20]. Aminoacizii au fost definiți prin metoda ninhidrinei [17]. Rata de umflare a nanocompozitelor a fost calculată ca atitudine de creștere a masei probei (în procesul de umflare) față de masa inițială și a fost exprimată în procente.

Proprietățile termice și stabilitatea probelor au fost studiate folosind derivatograful Q-1500D (Paulik, Paulik & Erdey, MOM, Ungaria) cu înregistrarea datelor computerizate. TG au fost înregistrate în intervalul de temperatură de la 22 la 974 ° C. Probele cu masa de 50-80 mg au fost încălzite la 10 ° C/min în aer. Curbele diferențiale ale DTA și DTG au fost înregistrate simultan.

Rezultate si discutii

Imaginile matricilor inițiale de polimer fără umplere într-o formă uscată și după umflarea într-un mediu apos obținut cu LSM sunt prezentate în Fig. 1a - f. Așa cum era de așteptat, porii au fost mai bine vizibili în PHEMA umflat. Aveau formă de canale și ramificații în gama micronilor. Structura matricei bazată pe PU și IPN 83% PU/17% PHEMA după expunerea la apă a rămas aproape neschimbată.

2-hidroxietil

Mostre LSM: PHEMA (nr. 10) - uscatA) și umflate (b); IPN PU/PHEMA (nr. 9) - uscatc) și umflate (d); și PU (nr. 8) - uscate) și umflate (f). Soluția de albastru de metilen este utilizată în probe (b) și (d) pentru contrastul imaginii

Pentru a studia structura materialelor netransparente pe baza PHEMA sintetizat cu apă ca porogen, a fost utilizată microscopia SEM. Probele înainte de imagistică au fost liofilizate. S-a presupus că porii formați de apă au rămas după uscare prin congelare. Într-adevăr, imaginile LVSEM arată că proba sintetizată fără porogen a avut o structură densă (Fig. 2b) în timp ce probele sintetizate cu apă sunt poroase cu dimensiunea micronică a porilor (Fig. 2c). Probele umplute cu nanosilice au demonstrat rugozitatea suprafeței (Fig. 2b, d).

LVSEM de probe după liofilizare: PHEMA (nr. 10)A); Aplicator PHEMA/5% (nr. 11)b); PHEMA sintetizat în prezența apei (nr. 12)c) și PHEMA sintetizate cu apă/10% nanosilica (nr. 13)d)

Structura poroasă a probei nr. 12 a fost confirmată prin tehnica de adsorbție a azotului la temperatură scăzută. Așa cum se arată în Fig. 3, izotermul are histerezis la presiune scăzută care mărturisește prezența micro- și mezoporilor.

Izotermă de adsorbție/desorbție a azotului pentru proba de liofilizare PHEMA sintetizată cu porogen (nr. 12)

Unul dintre motivele posibile pentru eliberarea lentă a BAC din materialele compozite poate fi interacțiunea materialului de umplere nanosilica cu matricea polimerică. Anterior, prin aplicarea spectroscopiei IR, am realizat posibilitatea formării de legături de hidrogen între gruparea carbonil a monomerului HEMA și gruparea silanol a suprafeței nanosilice [21]. În această lucrare, am extins studiul la interacțiunea PHEMA cu nanosilica de umplutură. În acest scop, probele de PHEMA cu un conținut ridicat de nanosilica (seria nr. 13) au fost sintetizate și spectrele lor IR au fost investigate (Fig. 4).

Spectre IR ale compozitelor PHEMA/nanosilice (seria nr. 13)

În spectrele obținute, patru regiuni care caracterizează structura chimică a PHEMA sunt clar vizibile: întinderea O - H (3700-3000 cm −1); Întinderea C - H, corespunzătoare grupărilor metil și metilen (3000-2800 cm -1); C = O întindere (1770-1660 cm -1) și o regiune de amprentă (sub 1500 cm -1). Pe spectre, nu există benzi de monomer HEMA care să includă legătura dublă C = C (1634 cm -1) și banda îngustă (3748 cm -1) care corespunde grupărilor silanolice libere de nanosilice. În timp ce intensitatea benzii care este responsabilă pentru gruparea carbonilică a polimerului nu se modifică și, după descompunerea de la Origin 7.0 (OriginLab Corporation, Northampton, MA), este simetrică. Aceste date spectrale confirmă interacțiunea suprafeței nanosilice cu polimerul.

Așa cum s-a putut vedea din rezultatele studiilor de adsorbție prezentate în Fig. 5 și Tabelul 3, izoterma de adsorbție a HEMA atinge platoul la concentrația de 2 mg/ml. Această concentrație corespunde densității de adsorbție a trei molecule de monomer la 100 nm 2 de suprafață nanosilică. În prezența HEMA, adsorbția BAC pe nanosilica este redusă. Aminoacizii nu sunt deloc adsorbiți.

Izoterma de adsorbție a HEMA pe suprafața nanosilicei din mediu apos

Anterior, am studiat cinetica de eliberare a BAC din matrici PU, IPN PU/PHEMA și PHEMA [27]. În această lucrare, a fost continuat studiul eliberării BAC din materiale bazate pe PHEMA sintetizate cu porogenul. Analiza curbelor cinetice obținute a arătat un model general; în cazul materialelor sintetizate fără porogen, substanțele care au fost imobilizate pe nanosilica (ca sol-densil) au avut niveluri de eliberare semnificativ scăzute (Fig. 6, curbele 2, 6, 7); s-a observat o excepție dramatică în cazul sulfatului de zinc imobilizat (Fig. 6c, curbele 6 și 7). În plus, materialele nanosilice se umflă într-o măsură mai mică. Aparent, interacțiunea materialului de umplutură cu rețeaua de polimeri duce la compactarea acestuia și la reducerea permeabilității. Nu a fost cazul materialelor sintetizate cu porogen pentru care profilurile de eliberare din materiale care conțin nanosilice și fără umplutură nu erau prea diferite (Fig. 6, curbele 3, 4, 5). Astfel, porii din matricea polimerică care au crescut în timpul umflării au eliminat practic efectul inhibitor al nanosilicii asupra eliberării de BAC.

BAC eliberează cinetica din nanocompozite: A) metronidazol, b) decametoxină, c) Zn 2+, d) Ag +, e) glicină și f) triptofan. Numerele curbei corespund mostrelor din Tabelul 1

În primele 1-2 zile, se observă o creștere a masei (faza de umflare), apoi o scădere treptată (faza de desorbție). Comparația materialelor cu conținut identic, dar bazată pe diferite matrice, demonstrează că probele cu IPN PU/PHEMA sunt mai hidrofile decât probele pe bază de PU. Mai mult, pentru materialele pe bază de PU, greutatea probelor în timp devine chiar mai mică (8-10%) decât greutatea probei inițiale. Umflarea materialelor pe baza PHEMA este destul de pronunțată, în special în probele sintetizate cu porogen. De exemplu, probele pe bază de PHEMA cu sulfat de zinc sintetizat cu porogen și fără umplutură demonstrează creșterea greutății lor de 2,6 ori.

Curbele DTG ale probelor bazate pe diferite matrice de polimeri cu un umplutură (A) și fără ea (b)