852

Сударева Н. Н. и др.

Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 6

УДК 66.021.081.3-66.091.1

ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПОЛИМЕРОВ ОБОЛОЧКИ КАРБОНАТНО-КАЛЬЦИЕВЫХ ЯДЕР

НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИИ ПЕРОРАЛЬНЫХ СИСТЕМ ДОСТАВКИ

Институт высокомолекулярных соединений РАН,

199004, г. Санкт-Петербург, 9-я линия В.О., д. 31

E-mail: nnsas@mail.ru

Поступила в Редакцию 7 июля 2019 г.

После доработки 12 февраля 2019 г.

Принята к публикации 21 февраля 2020 г.

Исследованы реологические характеристики смесей полимеров, используемых в качестве многослой-

ных полиэлектролитных оболочек на карбонатных ядрах — системах доставки лекарственных сое-

динений. Показано, что структура оболочек определяется прежде всего первым полимерным слоем,

его избыточным зарядом, концентрацией и ионным окружением. Корректность интерпретации

вискозиметрических данных подтверждена данными сканирующей электронной микроскопии кар-

бонатных ядер с полимерными оболочками, сформированными в различных условиях. Молекулярная

масса полимеров влияет на профили высвобождения терапевтического белка, инкапсулированного в

системы доставки, в жидкости, моделирующие желудочно-кишечные среды.

Ключевые слова: пероральные системы доставки; карбонатно-кальциевые ядра; полиэлектролитные

оболочки; реологические характеристики

DOI: 10.31857/S0044461820060110

Системы доставки лекарственных препаратов на-

меламин-формальдегидных частицах методом по-

ходят все более широкое применение в медицине.

следовательного нанесения слоев полиэлектролитов

Их использование предполагает увеличение стабиль-

с избыточными зарядами разных знаков (методом по-

ности инкапсулированных лекарственных средств,

лиэлектролитной сборки) [4]. Пористые карбонатные

уменьшение их дозы и токсичности, продление

ядра — СаСО₃ предложены в качестве «жертвенных»

воздействия на организм. Важную роль в усвоении

матриц еще в 2004 г. [5]. Их с успехом используют

лекарственных препаратов играет взаимодействие

для доставки лекарственных средств до сих пор [2,

носителей с тканями-мишенями, которое определя-

6-8]. Пористые ватериты — одна из полиморфных

ется структурными, в частности, поверхностными

модификаций СаСО₃ — представляют собой сфери-

характеристиками систем доставки. Следовательно,

ческие композиции из гексагональных кристаллов

умение управлять поверхностными свойствами но-

с диаметром сфер от 0.05 до 5 мкм. Обычно после

сителей и их функциональными характеристиками

нанесения полиэлектролитных оболочек карбонатные

должно приводить к повышению эффективности

ядра растворяют в кислой среде или при помощи

использования систем доставки. Системы на базе

ЭДТА, формируя системы доставки в виде капсул,

частиц с лекарственными средствами, покрытых по-

содержащих лекарственные препараты.

лиэлектролитными оболочками, обладают наиболь-

Одна из целей использования систем доставки —

шей вариативностью. Они позволяют включать в

пролонгирование высвобождения инкапсулированно-

состав конструкции различные вещества, в том числе

го лекарственного средства. Следовательно, сохране-

ингибиторы протеаз [1-3], а также изменять поверх-

ние пористой структуры ядер должно способствовать

ностные характеристики систем доставки. Впервые

торможению диффузии лекарственного средства в

подобные структуры, состоящие из полиэлектролит-

организме и увеличивать время его воздействия.

ных слоев, были сформированы на микрометровых

Именно пористые ватериты СаСО₃ использованы в

Влияние реологических характеристик полимеров оболочки карбонатно-кальциевых ядер...

853

данной работе в качестве ядер, которые покрывают

ковязкого медицинского назначения производства

полиэлектролитными оболочками. Эти структуры

Архангельского водорослевого комбината и высо-

предназначены для пероральной доставки лекар-

ковязкого фирмы Sigma-Aldrich) и полиамфолита —

ственных препаратов, т. е. они должны защищать ин-

желатина кислотной обработки (тип А, Rousselot

капсулированное соединение от воздействия кислой

SAS, Франция) и щелочной обработки (тип В, ОАО

среды желудка и высвобождать его в щелочной среде

Можелит, Беларусь). Их характеристики и условия

кишечника, способствуя проникновению в кровь. Для

определения молекулярной массы приведены в таб-

создания пероральных систем доставки на СаСО₃

лице.

ядрах формировали оболочки из биосовместимых,

Гидродинамические параметры и наличие ком-

биодеградируемых, неиммуногенных и дешевых по-

плексообразования в растворах смесей полимеров

лимеров натурального происхождения — альгината

определяли с использованием капиллярного ви-

и желатина [9]. pH-Зависимый полианион альгинат

скозиметра и реометра. При помощи капиллярного

давно и широко используют в качестве компонента

вискозиметра Уббелоде определяли вязкость: спе-

систем пероральной доставки [10-12]. В кислой среде

цифическую η_сп = η_смеси/η_жел или относительную

желудка он нерастворим, следовательно, защищает

η_отн = η_альг/η_NaCl. Вискозиметр имел следующие раз-

инкапсулированные препараты, а в щелочной сре-

меры: длина и толщина капилляра были равны 20 см

де кишечника набухает и постепенно растворяется,

и 0.2 мм соответственно, объем шарика равнялся

высвобождая их. Актуальные примеры использова-

3 мл. Реометр Physica MCR301 (Anton Paar, Австрия)

ния альгината и желатина в качестве компонентов

позволяет определять реологические характеристики

систем доставки синоменина (препарата для лечения

полимерных растворов в широком диапазоне скоро-

артрита) и артемизинина (его открытие удостоено

стей сдвига. В двойном коаксиально-цилиндрическом

Нобелевской премии в 2015 г.) приведены в работах

измерительном узле DG26.7-SN4044 реализуется

[13, 14]. В большинстве случаев полиэлектролитная

скорость сдвига ( ) в диапазоне 0.001-10 000 с^-1.

сборка происходит согласно базовой методике [5] c

Измерения на обоих устройствах проводили при тер-

использованием растворов равных концентраций по-

мостатировании растворов, Т = 20°С.

лимеров близкой молекулярной массы. Возможность

Синтез пористых СаСО₃ ядер проводили согласно

варьирования интенсивности полиэлектролитных

методике [5], модифицированной в [15]. Cливали 1 М

взаимодействий при изменении соотношения компо-

растворы Na₂CO₃ и CaCl₂·2H₂O и интенсивно пере-

нентов ранее не рассматривалась.

мешивали в течение 30 с. После 15 мин созревания

Цель настоящей работы — исследование влияния

суспензии полученные ядра промывали и сушили

характеристик полиэлектролитов и их взаимодей-

согласно вышеупомянутой методике. Формирование

ствия в процессе формирования на СаСО₃ ядрах по-

на СаСО₃ ядрах многослойных полиэлектролитных

лиэлектролитных оболочек на структурные и функ-

оболочек проводили согласно [5], варьируя концен-

циональные свойства систем доставки лекарственных

трации растворов полиэлектролитов (2 или 5 мг·мл^-1

средств.

в воде или в растворе NaCl концентрацией 0.2 или

0.5 моль·л^-1). Перемешивание суспензий СаСО₃ ядер

в растворах полиэлектролитов сначала осуществляли

Экспериментальная часть

в течение 1 мин в ультразвуковой ванне при частоте

В работе использовали соли NaCl, Na₂CO₃,

35 кГц (Fritsch GMBH, Idar-Oberstein, Германия), за-

CaCl₂·2H₂O (все — ч.д.а.; Sigma-Aldrich), промыш-

тем 10 мин на программируемом ротаторе-миксере

ленные образцы полианиона — альгината Na (низ-

MultiBio RS-24 (ООО BioSan, Латвия). Промывку и

Характеристики использованных полимеров

Полимер

Изоточка pI

M_пик, кДa

условия хроматографии

Желатин A

7.7-9.0

355

Sephadex G-200, 0.15 M NaCl

Желатин B

5.0

330

Sephadex G-200, 0.15 M NaCl

Альгинат Na низковязкий

—

360

PolySep GFC Linear (1-10000 кДa), элюент: 0.04 М трифтор-

ацетат натрия + 0.05% NaN₃, V = 0.25 мл·мин^-1, Т = 50°С,

Альгинат Na высок

овязкий

—

1300

колонка: 7.8 × 300 мм + 7.8 × 50 мм

854

Сударева Н. Н. и др.

сушку осуществляли по указанной в [5] методике.

определяли концентрацию белка в надосадочной

Для получения полиэлектролитных оболочек разной

жидкости (спектрофотометрически с использовани-

структуры наносили растворы полимеров в разной

ем калибровки в соответствующей среде).

последовательности и с разными концентрациями.

Кроме того, использовали растворы альгината раз-

Обсуждение результатов

личных молекулярных масс — как низкой, так и вы-

сокой вязкости.

Назначение полиэлектролитных капсул в качестве

Наличие полимерной оболочки на СаСО₃ ядрах и

систем доставки — замедленное высвобождение ин-

структуру ее поверхности визуализировали с помо-

капсулированных лекарственных веществ через поры

щью сканирующей электронной микроскопии. Для

оболочек. Структура получаемых полиэлектролитных

получения микрофотографий использовали скани-

оболочек зависит от характеристик используемых по-

рующий электронный микроскоп Supra 55VP (Carl

лиэлектролитов и их взаимодействия в процессе по-

Zeiss, Германия). Атомный состав образцов опре-

лиэлектролитной сборки и, следовательно, коррели-

деляли при помощи приставки для энергодисперси-

рует с реологическими свойствами смеси полимеров.

онной спектроскопии, используя X-Max 80 детек-

Для оценки реологического поведения смесей

тор (Oxford Instruments, Великобритания). Данные

полианиона — альгината Na и полиамфолитов —

атомного состава усредняли по 6-8 измерениям.

желатина А (рI 8) или желатина В (pI 5) разного со-

Среднеквадратичная погрешность 15%.

става в водных растворах различной ионной силы

Временные профили высвобождения терапевти-

выбраны две скорости сдвига

= 0.63 и

= 630 с^-1.

ческих белков из карбонатных ядер, покрытых тремя

В ходе формирования полиэлектролитной оболочки

парами слоев альгинат Na-желатин А, определяли в

на СаСО₃ ядрах взаимодействие макромолекул про-

средах, моделирующих состав желудка (0.1 M HCl)

исходит в условиях движения раствора одного по-

и кишечника (0.07 М Na-фосфатный буферный раст-

лимера около СаСО₃ ядер, чья поверхность покрыта

вор, NаФБ, рН 7.9). Использовали белки: антиок-

вторым полимером. Скорость сдвига определяется

сидант супероксиддисмутаза (молекулярная масса

диаметром вращения платформы ротатора и скоро-

32 кДа) и антагонист рецептора интерлейкина (моле-

стью его вращения. Она равна примерно 0.63 с^-1.

кулярная масса 15-18 кДа), оба получены из Научно-

Параметры использованного капиллярного вискози-

исследовательского института особо чистых биопре-

метра Уббелоде обеспечивают скорость сдвига, рав-

паратов, Санкт-Петербург, Россия. Инкубирование

ную 630 с^-1. Реометр позволяет определять вязкость

систем доставки в модельной среде желудка при

растворов при обеих скоростях сдвига.

Т = 37°С и постоянном перемешивании длилось 2 ч,

Зависимости вязкости смесей водных растворов

в модельной среде кишечника системы доставки на-

желатина А и альгината Na, а также желатина В и

ходились при тех же условиях в течение 5 ч. Через

альгината Na от состава смеси (доли желатина в

1-2 ч инкубирования пробы центрифугировали и

смеси с альгинатом Na) при разных скоростях сдви-

Рис. 1. Зависимости вязкости (а, б) смесей растворов желатин А/альгинат Na (1) и желатин В/альгинат Na (2) и

приведенной вязкости (η_пр = η_смеси/η_{Жел В}) (в) смесей растворов желатин В/альгинат Na от доли желатина в смеси

с альгинатом Na (Д).

Суммарная концентрация полимеров 5 мг·мл^-1.

Скорость сдвига (с^-1): 0.63 (а), 630 (б, в).

Реометр (а, б), капиллярный вискозиметр (в).

Растворы в Н₂О (а-в, кривые 1), растворы в NaCl (в) концентрацией 0.5 (2), 0.2 (3) и 1 моль·л^-1 (4).

Влияние реологических характеристик полимеров оболочки карбонатно-кальциевых ядер...

855

га характеризуют интенсивность взаимодействия

полимеров в смесях (рис. 1). Увеличение вязкости

свидетельствует об увеличении взаимодействия поли-

меров. Наибольшая вязкость проявляется для смеси,

содержащей 75% желатина А и 25% альгината Na при

скорости сдвига

= 0.63 с^-1, т. е. в условиях, близких

к условиям процесса формирования полиэлектро-

литной оболочки (рис. 1, а, кривая 1). При таком

же составе смеси, но при высоких скоростях сдвига

наблюдаем меньшую интенсивность взаимодействия

(рис. 1, б, кривая 1). Желатин А, имеющий изоточку

при рН 8, имеет в нейтральной среде избыточный

положительный заряд, что является причиной взаи-

модействия его с полианионом альгинатом Na.

Желатин В в нейтральной среде не взаимодейству-

ет с молекулами альгината Na, так как имеет избыточ-

ный отрицательный заряд (рI 5). Изменение вязкости

Рис. 2. CaCO₃ ядра, покрытые 5 парами слоев

смеси при изменении ее состава происходит плавно.

альгинат Na/желатин А = 1/3 (а) и альгинат

Профили вязкостных зависимостей для смесей рас-

Na/желатин А = 3/1 (б).

творов желатина В и альгината Nа, полученных как

Водные растворы, суммарная концентрация полимеров

2 мг·мл^-1.

на капиллярном вискозиметре (рис. 1, в), так и на

реометре при обеих скоростях сдвига (рис. 1, а, б,

кривые 2), подтверждают это наблюдение.

щий следующий слой поликатиона (при нейтральном

Обнаруженное при помощи реологических ис-

значении рН), взаимодействует с альгинатом Na даже

следований взаимодействие молекул альгината Na

внутри пор. Описанные особенности взаимодействия

и желатина А проявляет себя при формировании по-

полиэлектролитов на поверхности СаСО₃ ядер под-

лиэлектролитных оболочек на СаСО₃ ядрах. В ра-

тверждены видом полиэлектролитных оболочек кар-

боте [16] был определен ζ-потенциал карбонатных

бонатных ядер на микрофотографиях (рис. 2).

ядер, который равен 0 при рН 8.5. В нейтральной

Поведение смеси полиэлектролитов желатина В и

среде ядра имеют избыточный положительный заряд,

альгината Na при повышении ионной силы растворов

поэтому для формирования первого слоя полиэлек-

наблюдали в капиллярном вискозиметре при больших

тролитной оболочки был использован полианион

скоростях сдвига ( = 630 с-1), сравнивая зависимости

альгинат Na.

относительной вязкости смесей от состава смесей

При соотношении концентраций полиэлектроли-

(рис. 1, в). Более интенсивное экранирование заря-

тов альгината Na и желатина А, равном 1/3, исполь-

дов на молекулах полиэлектролитов при увеличении

зованных для формирования оболочки, концентра-

ионной силы растворов приводит к ослаблению взаи-

ция первого слоя (полианиона альгината Na) мала,

модействия молекул и, следовательно, к уменьшению

полимер не полностью покрывает поверхность ядер.

вязкости смеси. Закономерность немного (в пределах

Полимер второго слоя желатин A (pI 8) при значе-

погрешности) нарушается в растворах солей 0.5 и

нии рН 6 имеет положительный избыточный заряд

0.2 М (рис. 1, в, кривые 2, 3).

и поэтому не склонен взаимодействовать с пористой

При малых скоростях сдвига (реометр,

= 0.63 с^-1)

поверхностью карбонатных ядер, несущих также из-

в области концентрации NaCl 0.2 моль·л^-1 проявля-

быточный положительный заряд. Желатин А взаимо-

ются минимальные (по сравнению с растворами в

действует только с имеющимся на поверхности ядер

воде и в 0.5 М растворе NaCl) различия вязкостных

альгинатом Na. В дальнейшем на поверхности фор-

характеристик смесей желатина А и альгината Na раз-

мируется плотная оболочка, не проникающая в ядра.

ного состава, что следует из приведенных на рис. 3, а

Во втором случае при соотношении концентраций

данных. В методике формирования полиэлектролит-

альгинат Na/желатин А = 3/1 количество альгината Na

ных оболочек на СаСО₃ ядрах, предложенной автора-

у поверхности ядер больше, что позволяет молекулам

ми [5], последовательное нанесение слоев проводят

полианиона полностью покрыть поверхность ядра и

из растворов полиэлектролитов в 0.2 М NaCl. Как по-

даже проникнуть в поры. Следовательно, заряд по-

казывают полученные нами данные, такая ионная си-

верхности ядер экранирован. Желатин A, формирую-

ла раствора обеспечивает наибольшую стабильность

856

Сударева Н. Н. и др.

Рис. 3. Зависимость вязкости смесей желатина А и альгината Na разного состава (а) и относительной вязкости

(η_отн=η_альг/η_NaCl) растворов альгината Na (б) от концентрации NaCl.

а) Реометр, скорость сдвига 0.63 с^-1.

Доля желатина А в смеси с альгинатом Na: 1 — 0.0, 2 — 0.25, 3 — 0.50, 4 — 0.75, 5 — 1.0.

Суммарная концентрация полимеров 2 мг·мл^-1.

б) Вискозиметр, скорость сдвига 630 с^-1.

Концентрация альгината Na (мг·мл^-1): 1 — 5, 2 — 2.

структуры комплекса при возможных отклонениях в

силы окружающей среды вследствие экранирования

концентрациях растворов полиэлектролитов.

зарядов на поверхности белка (определяющих его

Зависимости вязкости полианиона альгината Na

нативную глобулярную конформацию) молекула же-

от концентрации NaCl (рис. 3, б) свидетельствуют

латина трансформируется таким образом, что взаи-

о естественном увеличении вязкости растворов по-

модействие с молекулами альгината Na усиливается.

лимеров при увеличении их концентрации. Влияние

Как было показано выше, большую роль в форми-

ионной силы на вязкость раствора альгината Na (при

ровании полиэлектролитной оболочки играет взаи-

концентрации 2 мг·мл^-1) менее выражено при боль-

модействие первых слоев полимеров, нанесенных на

ших скоростях сдвига (рис. 3, б, кривая 2), чем при

СаСО₃ ядра. Наличие соли экранирует эти взаимодей-

малых (рис. 3, а, кривая 1) т. е. в условиях полиэлек-

ствия (отталкивание желатина А от поверхности ядра,

тролитной сборки. Здесь следует отметить, что при

не полностью покрытого альгинатом Na при малых

максимальных скоростях сдвига полиэлектролитный

его концентрациях), поэтому полимерная пленка,

эффект может не наблюдаться, преобладающее вли-

образующаяся на ядрах из-за сильных интерполимер-

яние на вязкость оказывает формирование структур,

ных взаимодействий, отсутствует.

возникающих в сдвиговом потоке.

Определение вязкости полимеров и их смесей при

При меньшей скорости сдвига (0.63 с^-1) вязкости

помощи реометра не учитывает изменение вязкости

смесей при соотношениях полимеров желатин А/

растворителя при изменении концентрации NaCl в

альгинат Na = 3/1 и 1/3 в растворах 0.2 и 0.5 М NaCl

растворах. Результаты, приведенные на рис. 3, а и

(рис. 4, в) близки. Структуры оболочек СаСО₃ ядер,

4, в, не корректировали на вязкость 0.2 и 0.5 М рас-

состоящих из 5 пар слоев альгината Na и желатина

творов NaCl, поскольку вязкость 1 М раствора NaCl

А, нанесенных в разных концентрационных соот-

больше вязкости воды всего на 4%. Наблюдаемый

ношениях из растворов полиэлектролитов в 0.5 М

эффект изменения вязкости смесей в растворах NaCl

NaCl, также не демонстрируют явно выраженных

превышает 4%.

морфологических различий (рис. 4, а, б).

Метод энергодисперсионной спектроскопии ис-

Отметим, что, как и в случае с желатином В

пользовали для детектирования состава полиэлектро-

(рис. 1, кривые 2, 3), вязкость смеси больше в случае

литных оболочек СаСО₃ ядер. Определен атомный

большей концентрации соли (рис. 4, в, кривые 1, 2).

состав различных участков поверхности оболочки.

Предложим следующее объяснение кажущегося про-

Сравнивали оболочки, сформированные из пяти пар

тиворечия. Один из участников взаимодействия —

слоев альгината Na и желатина А при различных

полиамфолит белок желатин. При увеличении ионной

соотношениях полиэлектролитов: первый вариант —

Влияние реологических характеристик полимеров оболочки карбонатно-кальциевых ядер...

857

Рис. 4. СаСО₃ ядра, покрытые 5 парами полиэлектролитных слоев альгинат Na/желатин А = 1/3 (а) и альгинат Na/

желатин А = 3/1 (б) из растворов в 0.5 М NaCl суммарной концентрации 2 мг·мл^-1, зависимость вязкости смеси

растворов желатина А и альгината Na от состава смеси (Д) при концентрациях NaCl 0.2 (2) и 0.5 моль·л^-1 (1) при

той же суммарной концентрации (в).

Скорость сдвига 0.63 с^-1.

альгинат Na/желатин А =1/3 в воде (рис. 2, а); второй

гината Na в поры ядра. Оболочка с высоковязким

вариант — альгинат Na/желатин А = 3/1 в 0.5 М NaCl

альгинатом Na (молекулы большего размера) фор-

(рис. 4, б). В первом случае наблюдается формирова-

мируется на поверхности ядра. Подобное поведение

ние плотной оболочки, не проникающей в ядра, где

полиэлектролитов различной молекулярной массы

концентрация внешнего слоя полипептида желатина

было продемонстрировано при помощи сканирующей

А втрое больше, чем альгината Na, наружный слой

электронной микроскопии и конфокальной микро-

содержит 2.5% азота. Во втором случае, когда со-

скопии на примерах гидрохлорида полиаллиламина

держание желатина втрое меньше, чем содержание

в паре с полистиролсульфонатом [17] или гиалуроно-

альгината Na, формируется оболочка, проникающая

вой кислотой [18].

в поры (рис. 4, б), азот на поверхности не обнаружен.

Реологические характеристики смесей растворов

Содержание азота (N) в молекуле желатина А состав-

полиэлектролитов, использованных для формирова-

ляет 16 ± 3%. Кроме того, спектральный анализ сви-

ния полиэлектролитных оболочек, определяли при

детельствует о наличии атомов Na и Сl в случае фор-

помощи реометра (при скорости сдвига, характерной

мирования оболочки из растворов полимеров в 0.5 М

для процесса нанесения полиэлектролитных слоев,

NaCl. Следовательно, данные энергодисперсионного

анализа адекватно отражают состав синтезируемых

объектов и коррелируют с условиями процесса их

обработки.

На структуру поверхности полиэлектролитных

оболочек существенное влияние оказывает молеку-

лярная масса используемых полимеров. Было прове-

дено сравнение морфологии оболочек, изготовленных

из трех пар слоев альгинат-желатин. Использовали

два образца альгината Na: высокой и низкой вязко-

сти. Терапевтический белок — антиоксидант супер-

оксиддисмутаза инкапсулирован в СаСО₃ ядра при

соосаждении. Оболочку из трех пар слоев альгинат

Na/желатин А в соотношении 1/1 при суммарной кон-

центрации 2 мг·мл^-1 формировали из растворов по-

Рис. 5. Временные профили высвобождения суперок-

лимеров в 0.2 М NaCl для низковязкого альгината Na

сиддисмутазы из CaCO₃ ядер, покрытых тремя парами

и в H₂O для высоковязкого полимера. Существенным

слоев альгинат Na/желатин А, в среды, имитирующие

является факт более глубокого проникновения низ-

разные разделы желудочно-кишечного тракта.

ковязкого, т. е. с молекулами меньшего размера, аль-

Альгинат: 1 — низковязкий, 2 — высоковязкий.

858

Сударева Н. Н. и др.

= 0.63 с^-1). Вязкость смеси желатина А и альгината

Использование альгината Na различной вязкости

Na высокой вязкости (в соотношении 1/1) в H₂O при

при формировании полиэлектролитных оболочек на

суммарной концентрации полимеров 2 мг·мл^-1 равна

СаСО₃ ядрах играет важную роль в процессе иссле-

41 мПа∙с. Для низковязкого альгината Na вязкость

дования высвобождения инкапсулированного белка

смеси в 0.2 М NaCl при той же суммарной концентра-

в растворы, имитирующие среды желудочно-кишеч-

ции равна 16 мПа∙с (близкое значение вязкости было

ного тракта. Варьирование плотности и глубины про-

получено в предыдущих экспериментах по определе-

никновения полиэлектролитной оболочки в поры

нию влияния ионной силы раствора на реологические

СаСО₃ ядер может контролировать скорость высвобо-

характеристики, рис. 4, в, кривая 2).

ждения инкапсулированного объекта в имитаторную

Рис. 6. Микрофотографии карбонатных ядер, покрытых тремя парами слоев альгинат Na/желатин А (1/1).

Исходные ядра (а, б); после 2 ч пребывания в среде, имитирующей желудок, — 0.1 н HCl (в, г).

После 24 ч пребывания в среде, имитирующей кишечник, — 0.07 М ФБ, рН 7.9 (д, е).

Альгинат: а, в, д — низковязкий; б, г, е — высоковязкий.

Влияние реологических характеристик полимеров оболочки карбонатно-кальциевых ядер...

859

среду. Это предположение подтверждает вид времен-

трехслойной оболочки из альгината Na низкой вяз-

ных профилей высвобождения супероксиддисмутазы

кости и желатина А на карбонатных ядрах с белком

в среды, имитирующие по составу желудок и кишеч-

(антагонистом рецептора интерлейкина 1), содержит-

ник, из СаСО₃ в полиэлектролитных оболочках из

ся 7.2 мг·мл^-1 белка, тогда как высоковязкий альги-

трех пар альгината (различных молекулярных масс) и

нат Na в ходе формирования аналогичной оболочки

желатина А (рис. 5). В среде, имитирующей желудок,

позволяет выйти большему количеству белка —

высвобождения белка не наблюдали в течение 2 ч.

9.1 мг·мл^-1.

СаСО₃ ядра должны растворяться в кислой среде.

Альгинат не растворяется даже в комплексе с жела-

Выводы

тином, что и служит защитой карбонатного ядра и

Показано, что молекулярная масса полиэлектро-

инкапсулированного белка.

литов и их взаимодействие влияют на структуру и

Результаты высвобождения фермента суперок-

функции систем доставки на базе пористых СаСО₃

сиддисмутазы из систем доставки описанной выше

ядер, покрытых полиэлектролитными (альгинат на-

структуры коррелируют с видом СаСО₃ ядер в обо-

трия-желатин) оболочками.

лочках разного состава после пребывания в средах,

Обнаружено, что уменьшение молекулярной мас-

имитирующих разные отделы желудочно-кишечно-

сы альгината натрия позволяет в процессе форми-

го тракта (микрофотографии ядер представлены на

рования оболочки проникать молекулам внутрь по-

рис. 6). Различия в исходных структурах оболочек,

ристой среды СаСО₃ ядер, затрудняя в дальнейшем

полученных с использованием альгината Na раз-

высвобождение инкапсулированного белка в среде

ной молекулярной массы, причины которых были

желудочно-кишечного тракта. При этом реологи-

описаны выше, видны на рис. 6, а, б. После пребы-

ческие характеристики смесей полиэлектролитов

вания в среде, имитирующей желудок, в течение 2 ч

коррелируют со структурой оболочек.

оболочки стабильны независимо от молекулярной

Регулирование структуры оболочек карбонатных

массы использованного альгината (как низковязко-

ядер за счет использования смесей полиэлектролитов

го — рис. 6, в, так и высоковязкого — рис. 6, г), что

оказывает существенное влияние на функциональ-

подтверждено отсутствием высвобождения белка

ные характеристики систем доставки, а также может

(рис. 5). После 24 ч пребывания в среде, имитиру-

играть важную роль при реализации различных фи-

ющей кишечник, наблюдаются разрушения струк-

зиологических механизмов «захвата» инкапсулиро-

туры СаСО₃ ядер, интенсивность которых опреде-

ванного препарата.

ляется структурой полиэлектролитной оболочки

(рис. 6, д, е). В случае использования высоковязкого

Конфликт интересов

альгината Na полиэлектролитная оболочка интенсив-

но растворяется в щелочной среде за 24 ч, благодаря

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

своему расположению на поверхности ядер, более

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

доступному для среды, имитирующей кишечник (рис.

6, е). Ядра экспонируются в среду, содержащую соли

Информация об авторах

НPO_42-, где вступают в реакцию ионного обмена,

превращаясь в ядра СаНPO₄, имеющие значительно

Сударева Наталья Николаевна, к.ф.-м.н., ORCID:

более рыхлую структуру, чем карбонатные ядра [19].

https://orcid.org/0000-0002-2122-4498

Структура ядер изменена, что позволяет инкапсули-

Елоховский Владимир Юрьевич, к.т.н., ORCID:

рованному белку быстро высвобождаться из систе-

https://orcid.org/0000-0001-9123-4926

мы доставки (рис. 5, кривая 2). При использовании

Сапрыкина Наталья Николаевна, к.х.н., ORCID:

низковязкого альгината Na, частично проникшего в

https://orcid.org/0000-0002-9240-1690

пористую матрицу карбонатных ядер, разрушение

структур оболочек не столь драматично, наблюдается

Список литературы

некоторое количество целых ядер (рис. 6, д), высвобо-

[1] Балабушевич Н. Г., Печенкин М. А., Зоров И. Н.,

ждение белка заторможено (рис. 5, кривая 1).

Шибанова Е. Д., Ларионова Н. И. Мукоадгезивные

Дополнительным подтверждением того факта, что

полиэлектролитные микрочастицы, содержащие

полиэлектролитное покрытие с низковязким альги-

рекомбинантный инсулин человека и его анало-

натом Na лучше удерживает белок в ядрах, служат

ги аспарт и лизпро // Биохимия. 2011. Т. 76. № 3.

данные хроматографического анализа. В суммарных

С. 400-405.

супернатантах, полученных в ходе формирования

https://doi.org/10.1134/S0006297911030059

860

Сударева Н. Н. и др.

[Balabushevich N., Pechenkin M., Zorov I.,

[10]

Zhang Y., Wei W., Lu P., Wang L., Ma G. Preparation

Larionova N., Sibanova E. Mucoadhesive

and evaluation of alginate-chitosan microspheres for

polyelectrolyte microparticles containing recombinant

oral delivery of insulin // Eur. J. Pharm. Biopharm.

human insulin and its analogs aspart and lispro //

2011. V. 77. N 1. P. 11-19.

Biochem. (Mosc). 2011. V. 76. N 3. P. 327-331. https://

https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2010.09.016

doi.org/10.1134/S0006297911030059].

[11]

Tu L., He Y., Yang H., Wu Z., Yi L. Preparation and

[2] Shi D., Ran M., Zhang L., Huang H., Li X., Chen M.,

characterization of alginate-gelatin microencapsulated

Akashi M. Fabrication of biobased polyelectrolyte

Bacillus subtilis SL-13 by emulsification/internal

capsules and their application for glucose-triggered

gelation // J. Biomat. Sci. Polym. E. 2015 V. 26. N 12.

insulin delivery // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016.

P. 735-749.

V. 8. N 22. P. 13688-13697.

https://doi.org/10.1080/09205063.2015.1056075

https://doi.org/10.1021/acsami.6b02121

[12]

Sudareva N., Suvorova O., Saprykina N., Vilesov A.,

[3] Kakran M., Muratani M., Tng W. J., Liang H.,

Bel′tyukov P., Petunov S. Alginate-containing systems

Trushina D. В., Sukhorukov G. B., Ng H. H.,

for oral delivery of superoxide dismutase/ Comparison

Antipina M. N. Layered polymeric capsules inhibiting

of various configuration and their properties // J.

activity of RNAses for intracellular delivery of

Microencapsul. 2016. V. 33. N 5. P. 487-496. https://

messenger RNA // J. Mater. Chem. B. 2015. V. 3.

doi.org/10.1080/02652048.2016.1206146

P. 5842-5848.

[13]

Shi D., Greever R., Chen Y. Preparation and

https://doi.org/10.1039/C5TB00615E

characterization of novel sinomenine microcapsules

[4] Sukhorukov G., Donath E., Davis S., Lichtenfeld H.,

for oral controlled drug delivery // Drug. Dev. Ind.

Caruso F., Popov V., Möhwald H. Stepwise

Pharm. 2010. V. 36. N 4. P. 482-489.

polyelectrolyte assembly on particle surfaces: A novel

https://doi.org/10.3109/03639040903262003

approach to colloid design // Polym. Adv. Technol. 1998.

[14]

Chen Y., Lin X., Park H., Greever R. Study of

V. 9. N 10-11. P. 759-767. https://doi.org/10.1002/

artemisinin nanocapsules as anticancer drug delivery

(SICI)1099-1581(1998100)9:10/11<759::AID-

systems // Nanomedicine. 2009. V. 5. N 3. P. 316-322.

PAT846>3.0.CO;2-Q

https://doi.org/10.1016/j.nano.2008.12.005

[5] Volodkin D. V., Petrov A. I., Prevеt M., Sukhorukov G.

[15]

Sudareva N., Popova H., Saprykina N., Bronnikov S.

Matrix polyelectrolyte microcapsules: New system for

Structural optimization of calcium carbonate

macromolecule encapsulation // Langmuir. 2004. V. 20.

cores as templates for protein encapsulation

// J.

N 8. P. 3398-3406.

Microencapsul. 2014. V. 31. N 4. P. 333-343. https://

https://doi.org/10.1021/la036177z

doi.org/10.3109/02652048.2013.858788

[6] Volodkin D. CaCO₃ templated micro-beads and

[16]

Volodkin D., Larionova N., Sukhorukov G. Protein

-capsules for bioapplications // Adv. Coll. Interface

encapsulation via porous CaCO₃ microparticles

Sci. 2014. V. 207. P. 306-324.

templating // Biomacromolecules. 2004. V. 5. N 5.

https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.04.001

P. 1962-1972. https://doi.org/10.1021/bm049669e

[7] Richardson J., Maina J., Ejima H., Hu M., Guo J.,

[17]

Petrov A., Volodkin D., Sukhorukov G. Protein-

Cho M.., Gunavan S., Lybaert L., Hagemeyer C., De

calcium carbonate co-precipitation. A tool for protein

Geest B., Caruso F. Versatile loading of diverse cargo

encapsulation // Biotechnol. Prog. 2005. V. 21. N 3.

into functional polymer capsules // Adv. Sci. 2015. V. 2.

P. 918-925. https://doi.org/10.1021/bp0495825

N 1-2. P. 1400007 (6 pp).

[18]

Szarpak A., Pignot-Paintrand I., Nicolas C., Picart

https://doi.org/10.1002/advs.201400007

C., Auzély-Velty R. Multilayer assembly of hyaluronic

[8] Sudareva N., Suvorova O., Saprykina N., Smirnova N.,

acid/poly(allylamine): Control of the buildup for the

Bel′tiukov P., Petunov S., Radilov A., Vilesov A.

production of hollow capsules // Langmuir. 2008.

Two-level delivery systems based on CaCO₃ cores

V. 24. N 17. P. 9767-9774.

for oral administration of therapeutic peptides // J.

https://doi.org/10.1021/la801274z

Microencapsul. 2018. V. 35. N 7-8. P. 619-634. https://

[19]

Sudareva N. N., Saprykina N. N., Popova E. V.,

doi.org/10.1080/02652048.2018.1559247

Vilesov A. D. Porous calcium carbonate cores as

[9] Polomska A., Leroux J.-C., Brambilla D. Layer-by-

templates for preparation of peroral proteins delivery

layer coating of solid drug cores: A versatile method

systems / Ed. A. Cohen. Calcium Carbonate:

to improve stability, control release and tune surface

Occurrence, Characterization and Applications. New

properties // Macromol. Biosci. 2017. V. 17. N 1.

York: Nova Sci. Publ., Inc. (NOVA), 2015. P. 73-95.

P. 16000228. https://doi.org/10.1002/mabi.201600228