Криосинтез и физико-химические свойства наночастиц гормона – андростендиола

Полная исследовательская публикация ______________ Утехина А.Ю., Москова А.А., Морозов Ю.Н.,

Колотилов П.Н., Сергеев Б.М. и Сергеев Г.Б.

Размещено на http://www.allbest.ru//

72 ______________ http://butlerov.com/ _______________ ©--Butlerov Communications. 2011. Vol.25. No.6. P.71-76.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Криосинтез и физико-химические свойства наночастиц гормона - андростендиола

Утехина Анастасия Юрьевна

Аннотация

Криохимия используется для микронизации и изменения структуры органических веществ. В применении к лекарственным препаратам она приводит к улучшению фармакологических свойств. Метод основан на формировании неравновесных метастабильных состояний органических веществ, при конденсации паров изучаемых соединений на холодные поверхности. Осуществлена криохимическая модификация гормона Д5-андростендиола-3в,17в в потоке газа-носителя. В результате получен его моногидрат со средним размером частиц 220±10 нм. Изучены некоторые физико-химические свойства полученных наночастиц Д5-андростендиола-3в,17в.

наночастица андростендиол криохимический

Введение

Физические и химические свойства наночастиц металлов и полупроводников, методы получения и превращения детально проанализированы [1]. Наличие размерного эффекта и реакции с участием атомов и кластеров металлов при низких температурах рассмотрены в монографии [2]. В отличие от маломасштабных частиц металлов и полупроводников органические наночастицы изучены недостаточно.

Интерес к органическим наночастицам в последнее время увеличился. Опубликованы обзоры, в которых рассмотрена зависимость ультрафиолетовых, видимых и спектров люминесценции от размера органических наночастиц, полученных разными методами [3-5].

Предполагается, что наночастицы лекарственных веществ, изменяют их физико-химические, фармакологические свойства, биодоступность и терапевтические эффекты [5].

В настоящей работе в качестве объекта выбран гормон 5-андростендиола-3,17, структурная формула которого приведена ниже.

Андростендиол - это сложное органическое соединение, а в цитированных обзорах отмечено, что именно такими веществами пока ограничено получение органических наночастиц. Отметим также, что сравнительно недавно у андростендиола обнаружены ярко выраженные радиопротекторные свойства [6]. В США это усилило интерес со стороны военных.

Эксперементальная часть

В работе с применением низких температур осуществлена микронизация исходных кристаллов и, с применением ряда методов, изучены свойства исходных и маломасштабных частиц 5-андро-стендиола-3, 17.

Используемое вещество предоставлено ФГУП «Фармзащита». Чистоту препарата проверяли методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинах Silicagel. Содержание примесей состав-ляло менее 0.5%. По данным оптической микроскопии (прибор “Karl Zeiss Jena”), размер исходных частиц находится в диапазоне от 8-594 мкм.

Криосинтез наночастиц в проводили метод потока. Ранее этот метод был применен для полу-чения новой полиморфной модификации феназепама [7]. Синтез осуществляли испарением кристалл-лического андростендиола в потоке инертного газа-носителя (азота) с последующей конденсацией паров на поверхность, охлаждаемую до Т = 77 К. В испарителе поток газа-носителя насыщается парами андостендиола и образовавшаяся смесь направляется на поверхность конденсора.

Результаты и их обсуждение

Установлено, что максимальный выход криоандростендиола составил 93% при Т суб. = 423 К, навески препарата 80 мг и дисперсностью 300 мкм, скоростью потока около 1 л/мин.

Методом элекронной микроскопии показано, что при криомодификации андростендиола образуются наночастицы. Исходные частицы уменьшены до 200 нм. Размер определяли методом сканирующей электронной микроскопии (JEOL JSM 6490-LV, JSM 7001 F и HITACHI TM-1000).

На рис. 1а-в представлены микрофотографии криоандростендиола. По форме и размеру частиц криопрепарат более однороден, чем исходный и представляет вытянутые палочки с закругленными концами. Средний продольный размер составляет 219±9 нм (рис. 1г).

На рис. 2 приведены микрофотографии и гистограмма распределения частиц по данным просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (LEO 912 AB Omega (ZEISS, Германия)). Средний размер частиц составляет 210±9 нм.

На рис. 3 приведена рентгенограмма криомодифицированного препарата (дифрактометр RIGAKU D/MAX-2500 (Япония)). Как и исходный он является кристаллическим, о чем свидетельствует набор максимумов на рентгенограмме. Соотношение максимумов позволяет утверждать, что кристаллическая форма криопрепарата не полностью идентична исходной. В кембриджской структурной базе данных присутствует только одна кристаллическая структура - моногидрат Д5-андростендиола-3в,17в.

Соотношение максимумов на рентгенограммах обнаружило сходство криомодифицированного препарата и моногидрата андростендиола.

Рис. 3. Рентгенограмма модифицированного Д5-андростендиола-3в,17в

По рентгенограмме рис. 3 рассчитаны параметры решетки: а = 6.25 Е, b = 12.16 Е, c = 23.47 Е. Полученные параметры согласуются с данными для моногидрата Д5-андростендиола-3в,17в параметры решетки следующие: а = 6.250 Е, b = 12.143 Е, c = 23,440 Е, б = в = г = 90о, V = 1779.0 Е3, Z = 4, пространственная группа симметрии P212121. Плотность моногидрата равна 1.152 мг/м3 [8].

Нагревание криопрепарата, по данным ДСК (NETZCH STA 449 C), характеризуется двумя эндотермическими пиками. Для наночастиц отщепление воды происходит при 396 К. Потеря массы составила 5.57%. Плавление происходит при 459 К. Температуры плавления, полученные для исходного и модифицированного препарата несколько больше, чем отмеченные ранее 448-455К [9-12].

Различия в температурах плавления возможно связаны с методами синтеза. Препараты при конденсации из газовой фазы содержат меньше примесей, чем полученные перекристал-лизацией из раствора. Наличие примесей может уменьшать температуру плавления вещества.

Важным фактором, определяющим биодоступность малорастворимых лекарственных препаратов, является скорость растворения и растворимость.

Для определения влияния криомодификации на скорость растворения андростендиола изучена кинетика растворения в воде и этаноле (УФ-спектрофотометр Cintra 20 (Австралия)). На рис. 4а,б изображены кривые и условия растворения в воде с применением и без применения ультразвука (УЗЧ). Рассчитанные по начальным участкам кривых скорости растворения приведены в таблице.

Из таблицы видно что в воде, вероятно, происходила агрегация наночастиц. Именно поэтому криопрепарат Д5-андростендиола-3в,17в имеет уменьшенную в 1.4 раза скорость растворения по сравнению с исходным. При обработке ультразвуком, разбившего агрегаты, скорость растворения криопрепарата увеличилась в 1.6 раза по сравнению с исходным андростендиолом.

Для изменения скорости растворения в воде наночастиц лекарственных веществ под влиянием ультразвука предложено иное объяснение, основанное на увеличении подвижности молекул воды под воздействием УЗЧ [13]. Из данных таблицы видно, что вклад этого процесса не велик, так как практически под воздействием ультразвука мало изменяется скорость растворения исходного андростендиола.

Кинетика растворения в 70% растворе этилового спирта приведена на рис. 4в. Скорость растворения модифицированного препарата в 1.3 раза выше скорости исходного.

По нашему мнению формирование наночастиц происходит в газовой фазе в момент резкого изменения температуры потока на выходе из испарительного блока, а окончательная стабилизация на стенке конденсора. Градиент температуры от 423 К в зоне сублимации до 77 К в зоне конденсации обеспечивает получение частиц в метастабильном состоянии.

Таблица. Скорости растворения Д5-андростендиола-3в,17в

В условиях нашего эксперимента, молекулы андростендиола переходили из неравновесного состояния в кристаллическую структуру, как энергетически наиболее выгодную. Пересыщение в парогазовой смеси и резкий переход из горячей зоны в холодную способствует преобладанию зародышеобразования над ростом кристаллов. В подобных условиях при сохранении состава молекулы возможно формирование структуры, состоящей из наноразмерных частиц.

Сопоставление физико-химических свойств исходного и модифицированного препарата, выявил некоторые особенности свойств наночастиц андростендиола. По результатам ТСХ и ИК спектроскопии при криосинтезе андростендиол не претерпевает изменений структуры.

Этот вывод основан и на практически одинаковом количестве воды в образцах и сходстве кривых ДСК и ТГА. Таким образом, при нагревании препарата в испарительном блоке, сублимация происходит без деструкции препарата и без отщепления воды.

По результатам рентгенографии и микроскопии впервые полученные наночастицы гормона андростендиола, имеют структуру моногидрата с размером частиц около 200 нм.

Исходный кристаллический препарат перекристаллизовывали из воды и спирта и он мог представлять смесь частиц разной структуры, формы и размера.

При криомодификации, перевод вещества в газовую фазу, вероятно, нивелировал различия в исходных структурах.

По результатам СЭМ модифицированный препарат характеризуется более узким распределением по размерам и форме частиц. Получение частиц в нанометровой шкале нашло отражение в изменении некоторых других физико-химических свойств.

На кривых ДСК начало эндотермических пиков для криопрепарата сдвинуты в область меньших температур.Частицы меньшего размера имеют большую суммарную поверхность, и отщепление структурной воды в таких образцах начинается при меньших температурах.

Размер частиц влияет и на кинетику растворения. Исходный препарат малорастворим в воде (менее 10 мг/л). Частицы размером 220 нм в воде образуют агрегаты, которые вероятно крупнее частиц исходного препарата и скорость растворения уменьшается в 1.4 раза. Применение ультразвука позволило раздробить агломераты и наблюдать увеличение ско-рости растворения наночастиц. Это явление может быть и следствием изменения кристаллической структуры.

Заключение

Полиморфные модификации обладают разной растворимостью и скоростью растворения [14, 15]. Как правило, стабильная форма является наименее растворимой, что может ограничивать ее фармацевтическое применение. Именно поэтому необходимо получать наночастицы и изменять кристаллическую структуру органического вещества.

Важны и метастабильные состояния, которые могут быть короткоживущими, но иметь большую терапевтическую эффективость. Так, например, аморфная форма вещества обладает большим запасом энергии, чем кристаллическая, а значит и более высокой скоростью растворения. Криохимический синтез позволяет получать наночастицы без применения стабилизаторов, что важно в случае лекарственных препаратов.

На примере стероидного вещества Д5-андростендиола-3в,17в показана перспективность и эффективность криохимической модификации. Использованный в работе метод исключает применение растворителей и уменьшает размер частиц до наномасштаба. Таким образом, полученные результаты в сочетании с данными по другим лекарственным средствам свидетельствуют о возможности криосинтеза органических наночастиц.

Благодарности

Сотрудникам политехнического института Сибирского Федерального Университета (г. Крсноярск) Зеер Г.М. и Федоровой Е.Н. за помощь в получении данных по сканирующей электронной микроскопии.

Сотруднику Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктору физ.-мат наук Чернышеву В.В. за помощь в интерпретации рентгенограмм.

Размещено на Allbest.ru