Физика и химия стекла, 2023, T. 49, № 6, стр. 706-709

Широкий спектр применения цеолитов в экологии, медицине и катализе обусловлен их адсорбционными, ионообменными и кислотно-основными свойствами. Отличаясь высокой стабильностью, большой площадью поверхности и способностью инкапсулировать и удерживать лекарственные вещества, цеолиты при этом обладают хорошей биосовместимостью. Благодаря чему многие цеолиты находят все большее применение в биомедицинской области [1–4]. Актуальные работы по изучению возможностей применения цеолитов в медицине описывают их использование для удаления токсинов из жидкостей организма в качестве носителей лекарственных средств [5–10] и раневых покрытий [11].

Существует несколько способов введения полученных лекарственных комплексов: пероральный – введение препаратов осуществляется через желудочно-кишечный тракт и парентеральный, то есть инъекционное введение препарата в кровоток. Пероральный путь на сегодняшний день является наиболее распространенным путем доставки лекарственных средств в желудочно-кишечный тракт [12, 13].

Адресное нацеливание лекарственных средств на желудок или тонкий кишечник может достигаться с помощью рН-зависимых матриц, к которым как раз и относятся цеолиты. Наличие развитой поверхности и большого количества различных функциональных групп позволяют “настраивать” свойства поверхности цеолитов под конкретные задачи. Матрица требуется для защиты лекарственных препаратов от неблагоприятных условий желудочно-кишечного тракта (например, желудочного сока, желчных кислот и биодеградации), а также для лекарственных средств, которые могут вызывать раздражение слизистой оболочки желудка [14–16].

При выборе подходящей матрицы важное значение имеют ее физико-химические свойства: химический состав, свойства поверхности, размер и форма частиц, способ введения, дозы, а также стабильность матриц в условиях, в которых они будут использоваться. В литературе отсутствуют экспериментальные работы по исследованию стабильности природных и синтетических цеолитов в биологических жидкостях, а также по изучению изменений, которые претерпевает цеолитная структура, попадая в жидкости организма. Таким образом, целью работы являлось изучение стабильности различных типов цеолитов в модельных биологических средах.

В данной работе, варьируя значения рН, характерные для различных сред организма, готовили синтетическую биологическую жидкость (СБЖ) по методике, описанной в [17]. Для имитации физиологической среды было выбрано значение рН 6.9, что соответствует значению pH плазмы крови человека. Кислую среду, моделирующую среду желудка, готовили с помощью водного раствора соляной кислоты с pH 1.8. Щелочная среда с рН 8, соответствующая среде в кишечнике, была получена подщелачиванием воды гидроксидом натрия.

Синтез цеолитов проводили в гидротермальных условиях по отработанным методикам, использованным в работах [18, 19], из гелей соответствующих составов. Синтезированные цеолиты Rho, Beta, Y были сначала прокалены с целью удаления остатков органических молекул и сорбированной воды из пор цеолитов, а затем переведены в водородную форму и обозначены как H-Beta, H-Rho и H-Y [20]. Клиноптилолит Шивыртуйского месторождения (КЛ) исследовали в исходной форме, поскольку в работах по изучению сорбционных и ионообменных свойств используют природный цеолит в катионной форме.

Навески предварительно высушенных цеолитов H-Beta, H-Rho, H-Y и КЛ массой 400 мг помещали в стеклянные бюксы, в которые заливали по 40 мл модельного биологического раствора. Бюксы с образцами выдерживали в термостате при температуре 37°C в течение 7 сут. Затем образцы фильтровали. Рентгенофазовый анализ образцов проводили на порошковом дифрактометре Rigaku Corporation, SmartLab 3 (CuK_α-излучение, режим работы – 40 кВ/40 мА; полупроводниковый точечный детектор (0D) – линейный (1D), Геометрия θ–θ, 2θ = 5°–55°, (шаг 2θ = 0.01°)).

На рис. 1 представлены рентгеновские дифрактограммы цеолитов после недельной обработки растворами, моделирующими биологические жидкости. Результаты показывают, что исследуемые цеолиты имеют различную стабильность в зависимости от рН среды, в которой они находятся. Для ряда цеолитов можно наблюдать уменьшение интенсивностей относительно их исходных водородных форм, что свидетельствует о частичном или полном разрушении их кристаллической решетки.

Рис. 1.

Рентгеновские дифрактограммы образцов цеолитов, обработанных в модельных биологических средах в течение 7 сут: H-Beta (а), H-Rho (б), H-Y (в), КЛ (г). ▲ – штрих-диаграммы стандартов цеолитов Beta, Rho, Y, К; ◯ – иллит. I – исходный цеолит, II – цеолит, обработанный в среде с рН 6.9, III – цеолит, обработанный в среде с рН 8, IV – цеолит, обработанный в среде с рН 1.8.

Наибольшее влияние на стабильность цеолитов оказывает среда, имитирующая среду желудка со значениями pH 1.8. Относительная кристалличность цеолитов уменьшается в ряду H-Rho > КЛ > H-Beta > H-Y до 31, 20, 12 и 0% соответственно. Наименее стабильным в кислой среде является цеолит H-Y. Его кристаллическая структура полностью разрушается и на рентгенограмме (рис. 1в, IV) наблюдается только аморфная фаза. Это может быть связано с тем, что цеолит Y синтезирован без использования органических темплатов, от которых может зависеть стабильность цеолитов. Такие цеолиты обычно имеют низкие значения силикатного модуля, который и обеспечивает устойчивость цеолитов к кислотам. При этом цеолит H-Y имеет наименьшую степень деградации, то есть проявляет наибольшую устойчивость к щелочной среде и СБЖ. Интенсивность его пиков на рентгенограмме остается без изменений. Устойчивость же к щелочной среде также объясняется низкими значениями силикатного модуля цеолита, так как на поверхности присутствуют небольшое количество кремния, доступного для выщелачивания. В щелочной среде на 76% снижается относительная кристалличность у цеолита H-Beta и на 50% у цеолитов H-Rho и КЛ. Обработка цеолитов в среде СБЖ показывает, что все исследуемые цеолиты сохраняют свою кристаллическую структуру.

Способность цеолитов сохранять стабильность в возможных условиях их использования является одной из предпосылок для их использования в качестве носителей для доставки лекарственных препаратов с пролонгированным выходом. По результатам исследования можно сделать вывод, что цеолиты H-Beta, H-Rho, H-Y и КЛ остаются стабильными в модельных биологических средах кишечника и крови и могут быть использованы для дальнейших исследований в качестве носителей лекарственных препаратов. В зависимости от конкретной задачи (необходимости высвобождения лекарственного препарата в кислой или щелочной среде) может быть подобрана оптимальная цеолитная матрица.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института химии силикатов РАН (тема № 0081-2022-0001).