Химическая физика, 2020, T. 39, № 1, стр. 88-92

Микрочастицы полиэлектролитных комплексов на основе поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида, модифицированного рядом аминокислот

Л. А. Бадыкова 1*, Р. Х. Мударисова 1, С. В. Колесов 1

1 Уфимский Институт химии Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук
Уфа, Россия

* E-mail: badykova@mail.ru

Поступила в редакцию 14.01.2019
После доработки 22.05.2019
Принята к публикации 20.06.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследовано образование микрочастиц сополимеров N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида и N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний гидроксида, модифицированных лейцином, аланином и валином с мицеллообразующим ионогенным поверхностно-активным веществом додецилсульфатом натрия. Показано, что лиофилизирующая способность полиэлектролитов и, соответственно, размеры микрочастиц зависят от степени функционализации полимера. Оптимизированы с точки зрения устойчивости к агрегации и размеров частиц условия получения комплексных систем.

Ключевые слова: полиэлектролитные комплексы, микрочастицы, модификация, аминокислоты.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время в качестве носителей лекарственных средств рассматриваются различные виды нано- и микроформ, например, наноразмерные формы углерода (фуллерены, нанотрубки), искусственные липосомы, биогенные нанотранспортные средства, полимерные объекты (дендримеры, мицеллы, полиэлектролитные комплексы) [14]. Микрочастицы полиэлектролитных комплексов могут быть использованы для адресной доставки лекарственных средств [58], при этом размер частиц играет важную роль в их транспорте и распределении в организме. Полиэлектролитные комплексы (ПЭК) представляют собой самоорганизующиеся дисперсные системы, содержащие в своем составе электростатически комплементарные молекулы, например, противоположно заряженные полиэлектролиты, полиэлектролиты и ионогенные ПАВ. Молекулярные характеристики полиэлектролитов и условия формирования дисперсной фазы ПЭК существенным образом сказываются на размерных характеристиках дисперсий и их устойчивости [9, 10]. В качестве фактора молекулярного строения необходимо рассматривать и влияние включенных в состав макромолекул фармакофорных групп. Для формирования микрочастиц ПЭК используются различные синтетические полиэлектролиты. Например, полистиролсульфонат натрия [11], поли(анилинпропансульфоновая) кислота [12], полиакриловая кислота [13] могут выступать в качестве полианионов, а в качестве поликатионных компонентов широко используют N-содержащие полимеры, например, полиаллиламин гидрохлорид, полиэтиленимин, поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорид [11]. Поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорид (ПАМАХ) и некоторые сополимеры на основе N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида водорастворимы, нетоксичны, обладают физиологической активностью, и, как катионные полимеры, способны образовывать полиэлектролитные комплексы с мицеллообразующими ионогенными поверхностно-активными веществами [14, 15]. Соответственно, они являются перспективными компонентами носителей лекарственных соединений [16, 17]. Цель работы – получение устойчивых к агрегации микрочастиц полиэлектролитных комплексов на основе модифицированных рядом физиологически активных аминокислот сополимеров N,N-диаллил-N,N-диметиламоний хлорида и N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний гидроксида с додецилсульфатом натрия и оценка влияния химической модификации на размер частиц.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорид (ПАМАХ) получали в присутствии персульфата калия в водной среде в вакууме по известной методике [18], а средняя молекулярная масса его (45400) была определена методом седиментационного равновесия. Образец додецилсульфата натрия (Aldrich) трижды перекристалллизовывали из этанола. Аминокислоты – лейцин, аланин и валин использовали без дополнительной очистки (“Reanal”, Венгрия).

Сополимеры N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида (АМАХ) с N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний гидроксидом (АМАГ) с различной степенью гидроксилирования получали путем воздействия на ПАМАХ водного раствора гидроксида калия следующим образом: в водный раствор ПАМАХ 30%-ной концентрации прикапывали при перемешивании 40%-ный водный раствор КОН в различных мольных соотношениях ПАМАХ : КОН и выдерживали в течение 2 ч [19]. Полученный сополимер осаждали ацетоном, пятикратно переосаждали из воды в ацетон, промывали ацетоном и сушили в вакууме при 50 °С над пятиокисью фосфора до постоянной массы. Состав полученного продукта рассчитывали по результатам элементного анализа. При мольных соотношениях ПАМАХ : КОН, равных 1 : 0.15, 1 : 0.20 и 1 : 0.23, полученные сополимеры содержали 12, 16 и 18 мольн.% звеньев АМАГ соответственно.

В качестве модификаторов использовали аланин (Ala), валин (Val) и лейцин (Leu). Для модификации сополимеров молекулами аминокислот к 30%-ному водному раствору сополимера при перемешивании при комнатной температуре добавляли по каплям 20%-ный водный раствор соответствующей аминокислоты (соотношение 1.0 : 1.1) и выдерживали в течение 2 ч. Далее продукты реакции осаждали ацетоном, трижды промывали ацетоном, сушили в вакууме до постоянной массы над пятиокисью фосфора при 40–50 °С. Выход конечного продукта составлял 83–85% от исходного количества реагентов.

Водные дисперсии ПЭК получали путем добавления к водному раствору ПАМАХ с концентрацией звеньев АМАХ 0.02 М по каплям 0.003 М раствор додецилсульфата натрия (ДДС). Системы полиэлектролит (ПЭ) – ПАВ характеризовали мольным отношением z концентрации ПАВ к концентрации звеньев АМАХ полиэлектролита: z = [ДДС]/[ПЭ]. Для определения размеров частиц из данных турбидиметрического титрования выбирали такие значения z, при которых значения оптической плотности систем, А, были равны 0.1.

ИК-спектры записывали на спектрофотометре Shimadzu IR Prestige-21 (700−3600 см–1, вазелиновое масло). Образцы для записи ИК-спектров готовили следующим образом: часть осажденного продукта реакции после модификации промывали ацетоном и высушивали над пятиокисью фосфора при 40–50 °С до постоянной массы, растирали в мелкодисперсный порошок в агатовой ступке и хранили до записи спектров в эксикаторе под слоем аргона.

Ход реакции гидроксилирования контролировали по данным элементного анализа. Состав полученного продукта рассчитывали по содержанию хлора в образце.

Размеры частиц образцов определяли методом лазерной дифракции на анализаторе SALD-7101 Shimadzu (длина волны полупроводникового УФ-лазера – 375 нм; диапазон измерения – 10 нм–300 мкм). Измерения проводили в специальных кварцевых кюветах SALD-BC с механическим вертикальным перемешиванием. Для сравнения частиц по размеру брали медианные размеры частиц, соответствующие положению точки на дифференциальной кривой распределения, слева и справа от которой расположены по 50% распределения. Для характеристики устойчивости к агрегации дисперсий ПЭК рассматривали диаметры частиц у 10, 50 и 90% на кумулятивных (интегральных) кривых распределения макромолекул по размерам.

Для турбидиметрического титрования использовали спектрофотометр UV−VIS SPECORD M40 (Zeiss, Германия). Определение оптической плотности смесей проводили при длине волны, равной 500 нм и толщине поглощающего слоя, равному 1 см. К водному раствору полиэлектролита (0.02 М) при перемешивании частями добавляли водный раствор ДДС (0.003 М) и через 5 мин измеряли оптическую плотность. Результаты приводили в виде зависимости оптической плотности раствора от мольного соотношения компонентов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Модификацию полиэлектролитов аминокислотами проводили по обменной реакции с полимерами, содержащими звенья диаллилдиметиламмоний гидроксида [19]:

При модификации сополимеров аминокислотами в ИК-спектрах полученных полимерных солей наблюдали появление полосы, относящейся к NH2-группе аминокислоты – 1585 см–1 (Leu), 1582 см–1 (Ala), 1579 см–1 (Val). Все полученные продукты хорошо растворимы в воде.

Методом турбидиметрического титрования растворов полиэлектролитов (ПЭ) раствором ДДС определили состав смеси zmin, в момент начала роста оптической плотности растворов и выше которого наблюдали образование дисперсий частиц ПЭК. Для комплексов на основе ПАМАХ и модифицированных сополимеров (АМАХ–АМАГ) со степенью модификации 12, 16, 18% значения zmin равны соответственно: 0.56, 0.49, 0.45, 0.37. Значения z > zmin, при которых оптические плотности систем достигали одинаковых значений (А = 0.1) для полученных ПЭК составили: ПАМАХ – 0.65; АМАХ–АМАГ(12%)-Leu – 0.57; АМАХ–АМАГ(16%)-Leu – 0.50; АМАХ–АМАГ(18%)-Leu – 0.47; АМАХ–АМАГ(18%)-Val – 0.50; АМАХ–АМАГ(18%)-Ala – 0.48. Уменьшение лиофилизирующей способности ПЭ при химической модификации (что мы связываем с уменьшением содержания ионогенных групп) приводит к уменьшению значений z, т.е. количества вводимого ДДС, необходимого для получения дисперсий, сопоставимых по оптическим характеристикам. Частицы ПЭК подобного типа стабилизированы электростатическими взаимодействиями заряженных групп ПЭ и ДДС, а также гидрофобными взаимодействиями углеводородных радикалов ПАВ с гидрофобными участками полимера [2022]. Вероятно, это взаимодействия функционализирующих аминокислотных групп. Состав реакционной смеси, при котором в системе наблюдается резкий рост оптической плотности и процесс фазового разделения приводит к седиментационной неустойчивости системы, соответствует значению zпред.

Размер основной массы частиц комплекса на основе исходного ПАМАХ находится в нанометровом диапазоне (медианный размер частиц составляет 78 нм). У модифицированных лейцином сополимеров с ростом степени модификации размеры частиц увеличиваются и при указанных значениях z составляют для степеней модификации 12, 16 и 18 мольн.% – 105, 181 и 220 нм соответственно. Вероятно, это связано с вовлечением в формирование частиц ПЭК большего числа макромолекул за счет усиления гидрофобных взаимодействий, обеспечиваемых аминокислотными остатками.

Уменьшение содержания ионогенных групп в сополимерах влияет на лиофилизирующую способность полиэлектролитов, которая, в свою очередь, связана с размерами частиц ПЭК [21]. На рис. 1 показана зависимость размеров частиц ПЭК на основе сополимеров, модифицированных аминокислотами, от содержания в них ионогенных звеньев. Видно, что зависимость является линейной и с уменьшением количества звеньев АМАХ размеры частиц увеличиваются.

Рис. 1.

Зависимость размеров частиц ПЭК на основе поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламмоний хлорида, модифицированного аминокислотами, и ДДС от количества ионогенных звеньев (N) в макромолекулах. Полимеры: 1 – ПАМАХ, 2 – АМАХ–АМАГ(12%)-Leu, 3 – АМАХ–АМАГ(16%)-Leu, 4 – АМАХ–АМАГ(18%)-Leu, 5 – АМАХ–АМАГ(18%)-Ala, 6 – АМАХ–АМАГ(18%)-Val.

Для оценки влияния гидрофобности аминокислотного остатка на размер и устойчивость образующихся микрочастиц при образовании ПЭК были проведены опыты по модификации сополимера АМАХ–АМАГ(18%) молекулами таких аминокислот, как валин и аланин, которые различаются длиной алифатического фрагмента. Различия в структурах аминокислот на размерных характеристиках частиц сказывается весьма незначительно. Их медианные диаметры составляют: для лейцина – 220 нм, аланина – 190 нм, валина – 193 нм при значениях z, равных соответственно 0.47, 0.48 и 0.50. Для ПЭК на основе модифицированных аминокислотами образцов полимеров наблюдается линейная зависимость между размерами частиц и отношением z (рис. 2), которая подтверждает вклад гидрофобной части фрагментов аминокислот в формирование ПЭК.

Рис. 2.

Зависимость размеров частиц ПЭК от мольного соотношения компонентов: 1 – АМАХ–АМАГ(12%)-Leu, 2 – АМАХ–АМАГ(16%)-Leu, 3 – АМАХ–АМАГ(18%)-Val, 4 – АМАХ–АМАГ(18%)-Leu, 5 – АМАХ–АМАГ(18%)-Ala.

Полученные ПЭК устойчивы к агрегации в течение длительного времени хранения. Параметры интегрального распределения частиц по размерам при выдержке комплексов в течение трех месяцев изменяются незначительно (табл. 1). Например, для ПЭК на основе АМАХ–АМАГ(18%)-Val размер 50% частиц (по интегральным кривым) при выдержке в течение суток составляет 175 нм. Через 5 сут этот размер возрастает до 180 нм, при более длительном хранении (до 90 сут) размер частиц возрастает лишь до 184 нм, т.е. изменяется незначительно. Погрешность изменения составила 1%. Оптимизируя условия получения ПЭК (мольное соотношение ПЭ : ДДС, степень модификации сополимеров), можно формировать микрочастицы комплексов с определенными размерами, что позволит применять их в соответствующей медицинской практике.

Таблица 1.  

Параметры интегрального распределения микрочастиц ПЭК по размерам на основе сополимера (АМАХ–АМАГ), модифицированного валином

Время выдержки d10*, мкм d50*, мкм d90*, мкм р**
1 сут 0.128 0.175 0.278 0.86
5 сут 0.135 0.180 0.246 0.62
90 сут 0.134 0.184 0.250 0.63

Примечание: * d10, d50 и d90 – диаметры 10, 50 и 90% частиц на кумулятивных (интегральных) кривых распределения макромолекул по размерам; ** р = (d90– d10)/d50 – полидисперсность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на примере поли-N,N-диаллил-N,N-диметиламоний хлорида, химически модифицированного рядом аминокислот (лейцином, валином и аланином), показана возможность получения устойчивых к агрегации водных дисперсий наночастиц полиэлектролитных комплексов. Показано, что введение в состав макромолекул полиэлектролита порядка 10–20 мольн.% функциональных групп, уменьшающих содержание ионогенных звеньев в полимере и участвующих в гидрофобных взаимодействиях при формировании частиц ПЭК, приводит к увеличению размеров частиц пропорционально содержанию модифицированных групп без изменения устойчивости к агрегации дисперсных систем. Соответственно, при целенаправленном конструировании лекарственных наночастиц на основе ПЭК необходимо учитывать влияние сопряжения полиэлектролитов с лекарственными соединениями на размерные характеристики частиц.

Работа выполнена в рамках государственного задания № АААА-А17-117011910026-3 “Развитие фундаментальных основ управления структурой полимеров и кинетикой процесса в каталитической полимеризации, направленной модификации синтетических и биогенных полимеров и получение полимерных систем для биомедицинских приложений”. Анализы и измерения выполнены на оборудовании ЦКП “Химия” УфИХ УФИЦ РАН.

Список литературы

  1. Zakharian T.Y., Seryshev A., Sitharaman B. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 12508.

  2. Kazakov S., Levon K. // Curr. Pharm. Des. 2006. V. 12. № 36. P. 4713.

  3. Bai S., Thomas C., Rawat A., Ahsan F. // Crit. Rev. Ther. Drug Carrier Syst. 2006. V. 23. № 6. P. 437.

  4. Torchilin V.P. // Pharm. Res. 2007. V. 24. № 1. P. 1.

  5. Nishiyama N., Kataoka K. // Pharmacol. Ther. 2006. V. 112. P. 630.

  6. Nakanishi T., Fukushima S., Okamoto K. et al. // J. Control. Release. 2001. V. 74. P. 295.

  7. Rijcken C.J.F., Soga O., Hennink W.E. van Nostrum C.F. // J. Control. Release. 2007. V. 120. P. 131.

  8. Zhiryakova M.V., Izumrudov V.A. // Polym. Sci. Pt. A. 2008. V. 50. № 10. P. 1057.

  9. Babaev M.S., Vorob’eva A.I., Kolesov S.V. // Polym. Sci. Pt. A. 2015. V. 57. № 3. P. 266.

  10. Kolesov S.V., Gurina M.S., Mudarisova R.Kh. // Russ. J. Gen. Chem. 2018. V. 88. № 8. P. 1694.

  11. Bhide A., Schonhoff M., Cramer C. // Solid State Ionics. 2012. V. 214. P. 13.

  12. Lvov Y., Ariga K., Ichinose I., Kunitake T. // J. Amer. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 6117.

  13. Kalinov K., Ignatova M., Maximova V. et al. // Eur. Polym. J. 2014. V. 50. P. 18.

  14. Касаикин В.А., Литманович Е.А., Зезин А.Б., Кабанов В.А. // Докл. АН. 1999. Т. 367. № 3. С. 359.

  15. Власов П.С., Черный С.Н., Домнина Н.С. // ЖОХ. 2010. Т. 80. № 7. С. 1148.

  16. Воробьева А.И., Султанова Г.Р., Булгаков А.К. и др. // Хим.-фармацевт. журн. 2012. Т. 46. № 11. С. 21.

  17. Vorob’eva A.I., Babaev M.S., Spirikhin L.V. et al. // Russ. J. Appl. Chem. 2016. V. 89. № 1. P. 160.

  18. Wandrey Ch., Jaeger W., Reinisch G. et al. // Acta polym. 1981. V. 32. № 3. P. 177.

  19. Бабаев М.С., Воробьева А.И., Чернышева Ю.С. и др. // ЖПХ. 2015. Т. 88. № 9. С. 1353.

  20. Шулевич Ю.В., Ковалева О.Ю., Навроцкий А.В. и др. // ЖПХ. 2008. Т. 81. № 1. С. 112.

  21. Kabanov V.A. // Pure Appl. Chem. 2004. V. 76. № 9. P. 1659.

  22. Шилова С.В., Третьякова А.Я., Барабанов В.П. // Высокомолекуляр. соединения. А. 2010. Т. 52. № 12. С. 2092.

Дополнительные материалы отсутствуют.