Твердофазный способ получения биоактивного нанокомпозита

Изобретение относится к синтетической полимерной химии. Нанокомпозит включает модифицированную серусодержащими соединениями сшитую соль гиалуроновой кислоты в качестве матрицы и наночастицы благородного металла как наполнитель. Пленку модифицированной серусодержащими соединениями сшитой соли гиалуроновой кислоты получают химическим взаимодействием соли гиалуроновой кислоты со смесью двух серусодержащих соединений и со сшивающим агентом, в условиях одновременного воздействия давления в пределах от 50 до 300 МПа и деформации сдвига в механохимическом реакторе при температуре от 20° до 30°С. В качестве реактора для получения пленки используют наковальни Бриджмена. Изобретение позволяет получать целый ряд новых биоактивных нанокомпозитов с количественным выходом и в отсутствие жидкой среды. Способ не требует больших энерго-, трудо- и водозатрат. Достигнуто значительное увеличение эффективности действия композита. В частности, стойкость к деструкции в присутствии гидроксильных радикалов увеличена в 2-3 раза по сравнению с контрольным результатом. 15 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к природным полимерам из класса полисахаридов, а именно к твердофазному способу получения биоактивного нанокомпозита на основе химически модифицированной серусодержащими соединениями сшитой соли гиалуроновой кислоты (ГК) и наночастиц благородных металлов, и может найти применение в различных областях медицины, в косметике, например, в эстетической дерматологии и пластической хирургии.

Неизвестны твердофазные способы получения биоактивного нанокомпозита на основе химически модифицированной серусодержащими соединениями сшитой соли и наночастиц благородных металлов. Однако известен твердофазный способ получения сшитой соли гиалуроновой кислоты (патент РФ 2366665), а также способ получения сшитой соли гиалуроновой кислоты в растворе (патент РФ 2366666).

Известен жидкофазный многоступенчатый способ получения биоактивного нанокомпозита на основе химически модифицированной серусодержащими соединениями и полипептидами олигомерной гиалуроновой кислоты (молекулярная масса 3000-8000) и наночастиц (16 нм) золота [H.Lee, K.R.Lee, I.Kim, T.Park. "Synthesis, Characterization and in vivo Diagnostic Application H.A. immobilized Gold Nanoparticles". Biomaterials, 2008, 29, №35, 4709-4718]. Биоактивный нанокомпозит получают следующим образом: в водной среде модифицируют олигомерную гиалуроновую кислоту цистамином, натрийборциангидридом и дитиотреитолом, затем активируют 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимидом, после чего добавляют полипептид с красителем Hilyte Fluor 647. Образовавшийся сложный продукт прибавляют к водному коллоидному раствору наночастиц золота. Таким образом образуется нанокомпозит, содержащий одну частицу золота на 31 молекулу олигомерной гиалуроновой кислоты. Сведения о потребительских свойствах этого нанокомпозита не приведены.

Недостатками этого способа являются многостадийность, большая длительность химических процессов, высокая стоимость органических реагентов, трудоемкая очистка конечных продуктов.

Задачей данного изобретения является создание экологически безопасного принципиально нового твердофазного способа, позволяющего получать не известные ранее биоактивные нанокомпозиты в отсутствие жидкой среды, без больших энерго- трудо- и водозатрат, при этом получать целевые продукты с высоким выходом, увеличить эффективность действия композитов, в частности повысить устойчивость к деструкции в присутствии гидроксильных радикалов, а также использовать разнообразные исходные реагенты для получения матрицы, в том числе водонерастворимые соли ГК, а также различные наполнители и тем самым расширить ассортимент получаемых композитов.

Поставленная задача решается тем, что создан принципиально новый экологически безопасный твердофазный способ получения биоактивного нанокомпозита, включающего модифицированную серусодержащими соединениями сшитую соль гиалуроновой кислоты в качестве матрицы и наночастицы благородного металла как наполнитель, заключающийся в том, что пленку модифицированной серусодержащими соединениями сшитой соли гиалуроновой кислоты, полученной химическим взаимодействием соли гиалуроновой кислоты со смесью двух серусодержащих соединений и со сшивающим агентом в условиях одновременного воздействия давления в пределах от 50 до 300 МПа и деформации сдвига в механохимическом реакторе при температуре от 20° до 30°С, обрабатывают парами благородного металла методом катодного распыления, при этом степень наполнения композита металлом составляет от 3·10^-2 до 10^-1 мас.%.

Толщина пленки модифицированной сшитой соли гиалуроновой кислоты находится в пределах от 40 до 80 мкм. Благородным металлом является металл из ряда: золото, серебро, платина, палладий. Наночастицы наполнителя имеют размер от 1 до 10 нм.

В качестве серусодержащих соединений можно использовать соединения из ряда: биотин, тиамин, L-цистеин, цистин, метионин, глутатион, метилметионинсульфония хлорид, 1-тиоглицерин, 2-меркаптоэтанол, 2-меркаптобензтиазол, тиомочевина, 1,4-димеркаптобутан-2,3-диол, кислота из ряда: тиогликолевая, 2,3-димеркаптоянтарная, липоевая. В частности, серусодержащим соединением является: смесь глутатиона и 1,4-димеркаптобутан-2,3-диола.

В качестве соли гиалуроновой кислоты можно использовать соль из ряда: тетраалкиламмониевая, литиевая, натриевая, калиевая, кальциевая, магниевая, бариевая, цинковая, алюминиевая, медная, золотая, или смешанная соль гиалуроновой кислоты из вышеуказанного ряда или гидросоль гиалуроновой кислоты. В частности, солью гиалуроновой кислоты является натриевая или смешанная золото-натриевая соль.

В качестве сшивающего агента можно использовать эфир из ряда: диглицидиловый эфир этиленгликоля, диглицидиловый эфир диэтиленгликоля, диглицидиловый эфир триэтиленгликоля, диглицидиловый эфир полиэтиленгликоля, диглицидиловый эфир пропиленгликоля, диглицидиловый эфир 1,4-бутандиола, диглицидиловый эфир 1,6-гександиола. В частности, сшивающим агентом является диглицидиловый эфир диэтиленгликоля.

Мольное соотношение: соль гиалуроновой кислоты к сумме серусодержащих соединений находится в пределах от 1000:1 до 100:1.

Мольное соотношение: соль гиалуроновой кислоты к сшивающему агенту находится в пределах от 500:1 до 50:1. Мольное соотношение: сумма серусодержащих соединений к сшивающему агенту находится в пределах от 1:10 до 1:2.

Продолжительность воздействия давления и деформации сдвига составляет от 6 до 40 секунд.

Механохимическим реактором, в частности, являются наковальни Бриджмена. Деформацию сдвига осущесвляют путем изменения угла поворота нижней наковальни Бриджмена в пределах от 50 до 350 градусов.

Катодое напыление проводилось на напылительной установке JFC-II00 Е фирмы «JEOL» (Япония) в вакууме 10^-1 Па, напряжении 100 в, силе тока 5 А и частоте 50 Гц.

В отличие от известного способа, заявленный способ получения нанокомпозита включает этап получения матрицы модифицированной серусодержащими соединениями сшитой соли гиалуроновой кислоты в виде пленки путем химического взаимодействия соли гиалуроновой кислоты со смесью двух серусодержащих соединений и со сшивающим агентом, без растворителя, в условиях одновременного воздействия давления в пределах от 50 до 300 МПа и деформации сдвига в механохимическом реакторе при температуре от 20° до 30°С, в то время как в известном способе матрицу получают на основе химически модифицированной серусодержащими соединениями и полипептидами олигомерной гиалуроновой кислоты (молекулярная масса 3000-8000) в нескольких этапах в водной среде.

Другим существенным отличием является то, что введение в матрицу наполнителя осуществляют путем обработки полученной пленки парами благородного металла методом катодного распыления, а в известном способе к образовавшемуся водному коллоидному раствору сложного продукта модифицированной олигомерной гиалуроновой кислоты цистамином, натрийборциангидридом и дитиотреитолом, а затем активированной 1-этил-3-(3-диметиламинопропил) карбодиимидом прибавляют гидрозоль наночастиц золота. При этом степень наполнения композита золотом неизвестна, однако по отношению к олигомерной ПС количество золота составляет 1-2%, в то время как в заявленном способе степень наполнения композита металлом составляет от 3·10^-2 до 10^-1 мас.%. Кроме золота наполнителем являются и другие благородные металлы.

Таким образом достигнут новый технический результат, заключающийся в том, что способ упрощен (малоступенчат), позволяет расширить ассортимент получаемых композитов за счет возможности использовать самые разнообразные, в том числе водонерастворимые соли ГК. Стойкость к деструкции в присутствии гидроксильных радикалов получаемых композитов увеличена в 2-3 раза по сравнению с контрольным результатом. Кроме того, следует отметить, что решение поставленной задачи стало возможным благодаря тому, что процесс осуществляют путем взаимодействия исходных реагентов в твердом порошкообразном состоянии при одновременном воздействии давления и деформации сдвига. Способ по существу не имеет аналогов, экологически безопасен, не требует больших энерго-, трудо- и водозатрат, целевые продукты получают с высоким выходом

Количественный характер выхода продуктов зависит от степени взаимодействия глицидиловых групп сшивающего агента с гидроксильными группами солей ГК и гидроксильными или карбоксильными группами серусодержащих соединений. Поэтому о количественном выходе целевых продуктов судили по данным ИК-Фурье спектрального анализа исходных реагентов и продуктов реакции. Установлено, что в спектрах этих продуктов полностью отсутствуют характеристические полосы глицидиловых групп сшивающих агентов (850-860 и 900-920 см^-1) и присутствуют появившиеся в результате взаимодействия глицидиловых групп сшивающих агентов с гидроксильными группами солей ГК и серусодержащими соединениями. Выход модифицированных сшитых солей ГК определяли по результатам экстракции водным или спиртовым раствором конечных продуктов реакции при 50°С. Выделенные из экстрактов продукты взаимодействия ДЭГ-1 с серусоджержащими соединениями, не вступившие в реакцию с солями ГК, составляли 1-3 мас.% от количества исходных компонентов, что соответствует практически количественному (97-99%-ному) выходу модифицированных сшитых солей ГК. Размер наночастиц благородных металлов оценивался по положению максимума поглощения разбавленных коллоидных растворов (гидрогелей) в УФ-спектрах [Л.А.Дыкман, В.А.Богатырев, С.Ю.Щеголев, Н.Г.Хлебцов. ЗОЛОТЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ. Синтез, свойства, биомедицинское применение. М., Наука. 2008, стр.46]. Стойкость к деструкции в присутствии гидроксильных радикалов оценивалась по величине полупериода снижения вязкости гидрогелей, полученных из конечных продуктов, как описано Wong et al. в Inorganic Biochemistry, В. 14, Р.127 (1981) и в патенте РФ №2174985. Контрольная величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, из нанокомпозита, полученного из тех же исходных компонентов, но жидкофазным методом составляет 55 часов (см. сравнительный пример - 7).

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами:

Получение биоактивного нанокомпозита

Пример 1. Порошкообразную смесь из 160,0 мг (4·10^-4 моля) натриевой соли ГК (мол. масса 2300000), 0,65 мг (2·10^-6 моля) глутатиона, 0,4 мг (8·10^-6 моля) 1,4-димеркаптобутан-2,3-диола, 2,7 мг (8·10^-6 моля) диглицидилового эфира диэтиленгликоля (ДЭГ-1) помещают на нижнюю наковальню Бриджмена (диаметр рабочей поверхности =3 см), накрывают верхней наковальней, наковальни ставят под пресс и подвергают давлению 300 МПа при 20°С, при угле поворота нижней наковальни 350° в течение 40 сек. Далее снимают давление, вынимают наковальни из-под пресса. Образовавшуюся пленку толщиной 80 мкм модифицированной серусодержащими соединениями сшитой натриевой соли ГК помещают в распылительное устройство с золотым катодом и напыляют золотом в течение 40 сек. Максимум поглощения составляет 513 нм, что соответствует величине 5 нм для размера частиц золота. Степень наполнения композита золотом составляет 5·10^-2%. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта, составляет 160 часов.

Пример 2. Выполнен аналогично примеру 1, однако в отличие от него пленку модифицированной серусодержащими соединениями сшитой натриевой соли ГК напыляют золотом в течение 80 сек. Максимум поглощения составляет 516 нм, что соответствует величине 10 нм для размера частиц золота. Степень наполнения композита золотом составляет 10^-1 %. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта, составляет 170 часов.

Пример 3. Выполнен аналогично примеру 1, однако в отличие от него пленку модифицированной серусодержащими соединениями сшитой натриевой соли ГК напыляют золотом в течение 8 сек. Максимум поглощения составляет 510 нм, что соответствует величине 1 нм для размера частиц золота. Степень наполнения композита золотом составляет 3·10-² %. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта, составляет 150 часов.

Пример 4. Порошкообразную смесь из 174,0 мг (4·10^-4 моля) смешанной натриевой-золотой соли при мольном соотношении натрий: золото =12:1, 0,065 мг (2·10^-7 моля) глутатиона, 0,04 мг (8·10^-7 моля) 1,4-димеркаптобутан-2,3-диола, 0,27 мг (8·10^-7 моля) диглицидилового эфира диэтиленгликоля (ДЭГ-1) помещают на нижнюю наковальню Бриджмена (диаметр рабочей поверхности =3 см), накрывают верхней наковальней, наковальни ставят под пресс и подвергают давлению 50 МПа при 20°С, при угле поворота нижней наковальни 50° в течение 6 сек. Далее снимают давление, вынимают наковальни из-под пресса. Образовавшуюся пленку толщиной 80 мкм модифицированной серусодержащими соединениями сшитой смешанной натриевой-золотой соли ГК помещают в напылительное устройство с серебряным катодом и напыляют серебром в течение 30 сек. Максимум поглощения составляет 410 нм, что соответствует величине 7 нм для размера частиц серебра. Степень наполнения композита серебром составляет 7·10^-2%. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта, составляет 110 часов.

Пример 5. Выполнен аналогично примеру 1, однако в отличие от него образовавшуюся пленку толщиной 80 мкм модифицированной серусодержащими соединениями сшитой натриевой соли ГК помещают в напылительное устройство с платиновым катодом и напыляют платиной в течение 30 сек. Максимум поглощения составляет 245 нм, что соответствует величине 8 нм для размера частиц платины. Степень наполнения композита платиной составляет 8·10^-2%. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта, составляет 250 часов.

Пример 6. Выполнен аналогично примеру 1, однако в отличие от него вес исходных компонентов уменьшен в два раза, а температура наковален составляет 30°С. Кроме того, образовавшуюся пленку толщиной 40 мкм модифицированной серусодержащими соединениями сшитой натриевой соли ГК помещают в напылительное устройство с палладиевым катодом и напыляют палладием в течение 25 сек. Максимум поглощения составляет 230 нм, что соответствует величине 5 нм для размера частиц палладия. Степень наполнения композита палладием составляет 4·10^-2%. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта составляет 240 часов.

Пример 7. Сравнительный пример. 160,0 мг (4·10^-4 моля) порошкообразной натриевой соли ГК (мол. масса 2300000), 0,65 мг (2·10^-6 моля) глутатиона, 0,4 мг (8·10^-6 моля) 1,4-димеркаптобутан-2,3-диола, 2,7 мг (8·10^-6 моля) диглицидилового эфира диэтиленгликоля (ДЭГ-1) растворяют в 20 мл бидистиллированной воды и оставляют стоять в чашке Петри при комнатной температуре до полного испарения воды. Образовавшуюся пленку модифицированной серусодержащими соединениями сшитой натриевой соли ГК переводят в гидрогель прибавлением 5 мл бидистиллированной воды. Далее к данному гидрогелю добавляют 1 мл гидрозоля золота, содержащего 0,16 мг золота в виде наночастиц размером 10 нм, приготовленного по методу Френса [Л.А.Дыкман, В.А.Богатырев, С.Ю.Щеголев, Н.Г.Хлебцов. ЗОЛОТЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ. Синтез, свойства, биомедицинское применение. М., Наука. 2008, стр.39]. Перемешивают смесь до однродного состояния. Максимум поглощения составляет 516 нм, что соответствует величине 10 нм для размера частиц золота. Степень наполнения композита золотом составляет 10^-1 %. Величина полупериода снижения вязкости гидрогеля, полученного из конечного продукта составляет 55 часов.

Приведенные примеры убедительно показывают, что создан принципиально новый, экологически безопасный способ, позволяющий получать целый ряд новых биоактивных нанокомпозитов в отсутствие жидкой среды, с получением целевых продуктов с высоким выходом. Способ не требует больших энерго-, трудо- и водозатрат, позволяет использовать в качестве исходных реагентов самые разнообразные, в том числе водонерастворимые, соли ГК. Достигнуто значительное увеличение эффективности действия композитов, в частности стойкость к деструкции в присутствии гидроксильных радикалов увеличена в 2-3 раза по сравнению с контрольной величиной полупериода снижения вязкости гидрогеля, из нанокомпозита, полученного жидкофазным методом.

1. Способ получения биоактивного нанокомпозита, включающего модифицированную серосодержащими соединениями сшитую соль гиалуроновой кислоты в качестве матрицы и наночастицы благородного металла как наполнитель, заключающийся в том, что пленку модифицированной серосодержащими соединениями сшитой соли гиалуроновой кислоты, полученной химическим взаимодействием соли гиалуроновой кислоты со смесью двух серосодержащих соединений и со сшивающим агентом, в условиях одновременного воздействия давления в пределах от 50 до 300 МПа и деформации сдвига в механохимическом реакторе при температуре от 20 до 30°С обрабатывают парами благородного металла методом катодного распыления, при этом степень наполнения композита металлом составляет от 31·10^-2 до 10^-1 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщина пленки модифицированной сшитой соли гиалуроновой кислоты находится в пределах от 40 до 80 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что благородным металлом является металл из ряда: золото, серебро, платина, палладий.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что наночастицы наполнителя имеют размер от 1 до 10 нм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь серосодержащих соединений выбрана из ряда: биотин, тиамин, L-цистеин, цистин, метионин, глутатион, метилметионинсульфония хлорид, 1-тиоглицерин, 2-меркаптоэтанол, 2-меркаптобензтиазол, тиомочевина, 1,4-димеркаптобутан-2,3-диол, кислота из ряда: тиогликолевая, 2,3-димеркаптоянтарная, липоевая.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что смесью серосодержащих соединений является смесь глутатиона и 1,4-димеркаптобутан-2,3-диола.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что солью гиалуроновой кислоты является соль из ряда: тетраалкиламмониевая, литиевая, натриевая, калиевая, кальциевая, магниевая, бариевая, цинковая, алюминиевая, медная, золотая, или смешанная соль гиалуроновой кислоты из вышеуказанного ряда, или гидросоль гиалуроновой кислоты.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что солью гиалуроновой кислоты является натриевая или смешанная золото-натриевая соль.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что сшивающим агентом является эфир из ряда: диглицидиловый эфир этиленгликоля, диглицидиловый эфир диэтиленгликоля, диглицидиловый эфир триэтиленгликоля, диглицидиловый эфир полиэтиленгликоля, диглицидиловый эфир пропиленгликоля, диглицидиловый эфир 1,4-бутандиола, диглицидиловый эфир 1,6-гександиола.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что сшивающим агентом является диглицидиловый эфир диэтиленгликоля.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что мольное соотношение: соль гиалуроновой кислоты к сумме серосодержащих соединений находится в пределах от 1000: 1 до 100:1.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что мольное соотношение: соль гиалуроновой кислоты к сшивающему агенту находится в пределах от 500:1 до 50:1.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что мольное соотношение: сумма серосодержащих соединений к сшивающему агенту находится в пределах от 1:10 до 1:2.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжительность воздействия давления и деформации сдвига составляет от 6 до 40 с.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что механохимическим реактором являются наковальни Бриджмена.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что деформацию сдвига осуществляют путем изменения угла поворота нижней наковальни Бриджмена в пределах от 50 до 350°.