Криохимичекие подходы к созданию новых гибридных наносистем и наноструктур для направленной доставки лекарственных веществНИР

-

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 17 мая 2016 г.-31 декабря 2016 г. Криохимичекие подходы к созданию новых гибридных наносистем и наноструктур для направленной доставки лекарственных веществ
Результаты этапа: В ходе выполнения проекта получены стабильные наноформы известных антибактериальных препаратов диоксидина и гентамицина сульфата, а также их гибридные нанокомпозиты с биологически активным металлом – серебром. Проведено комплексное физико-химическое исследование полученных наноформ методами ЯМР, ИК-, УФ-спектроскопии,ПЭМ, ДТА и РФА. Установлены их состав, размер и морфологических особенности. Показано, что полученные наноформы лекарственных препаратов, а также их гибридные нанокомпозиты с серебром оказались более активны к процессам подавления роста E. coli 52 и S. aureus 144 по сравнению с фармакопейными препаратами и коллоидным серебром. Разработаны методики получения пористых криогелей на белковой (бычий сывороточный альбумин) и полисахаридной (хитозан) основе, которые были использованы как носители наноформ лекарственных препаратов и их гибридных композитов с наночастицами серебра. Полученные гибридные системы криогель-антибактериальный препарат, криогель – антибактериальный препарат серебро оказались активны к процессам подавления роста E. coli 52 и S. aureus 144.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Криохимичекие подходы к созданию новых гибридных наносистем и наноструктур для направленной доставки лекарственных веществ
Результаты этапа: В ходе выполнения проекта на этапе 2017 года методом криохимического синтеза получены новые гибридные лекарственные наноформы на основе антибактериальных веществ диоксидина и гентомицина и наноразмерных частиц меди и оксида меди, обладающие повышенной биологической антибактериальной активностью по сравнению с индивидуальными компонентами и стабильностью. Полученные гибридные нанокомпозиты химически и структурно охарактеризованы методами спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), инфракрасной спектроскопии с Фурье преобразованием (ИК-Фурье), УФ-видимой спектроскопии, газовой хроматографии, дифференциального термического (ДТА) и порошковой рентгеновской дифракции (РФА). Установлено, что химическая структура лекарственных компонентов сохраняется в ходе криомодифицирования и создания нанокомпозитных форм, при этом изменяется супрамолекулярная организация и структурные параметры их твердофазных структур. По данным ПЭМ и электронной дифракции полученные образцы нанокомпозита диоксидин-медь/оксид меди (1) представляют собой органические частицы лекарственного компонента размером 70 400 нм, на поверхности которых и частично внутри которых находятся гибридные агрегаты размером 40 150 нм, включающие наночастицы меди/оксида меди(1) размером 5-50 нм. По данным микробиологических исследований проведенных на тестовых бактериальных культурах E. coli 52, S. aureus 144, B. cereus 9, P. aeruginosa 47 показана большая антибактериальная активность криохимически синтезированных нанокомпозитов по сравнению с исходными компонентами. Установлено, что полученные образцы нанокомпозитов гентамицин сульфат - медь, как и исходный гентамицина сульфат является рентгеноаморфными. ИК спектры полученных гибридных композитов соответствовали данным для индивидуального гентамицина сульфата. В УФ спектрах полученных композитов присутствует пик при 580 нм, соответствующий плазмонному поглощению наночастиц меди. По данным ПЭМ, полученные композиты представляют собой органические частицы размером 30-300 нм, в которые включены наночастицы меди размером 1-5 нм Осуществлено развитие методов криотропного получения пористых криогелей на основе биосовместимого полимера белковой природы – желатина, и полисахаридного биополимера – альгината и получены новые гибридные лекарственные наноформы на их основе, включающие наночастицы металлов (серебро, медь) и иммобилизованные лекарственные компоненты исследуемых антимикробных веществ – диоксидина и гентамицина сульфата, способных к последующему высвобождению в водные среды. Полученные образцы изучены методами СЭМ, ПЭМ и ИК-Фурье Наличие молекул лекарственных веществ, включенных в криогели, подтверждают ИК-спектры полученных систем. Из микрофотографии СЭМ следует, что после включения гибридных композитов в криогели размеры пор исходных криоструктуратов не меняются и составляют 10-200 мкм. На микрофотографиях ПЭМ видны наночастицы включенных металлов размером 5-30 нм (для серебра), 5-40 нм (для меди, полученной термическим разложением безводного формиата меди) и 1-5 нм (для меди полученной восстановлением соли меди гидразин гидратом). Изучена кинетика высвобождения лекарственного компонента из гибридных наноформ на основе криоструктуратов биополимеров – альгината кальция и желатина в водную среду спектрофотометрически для диоксидина и кондуктометрически для гентамицина сульфата. Установлено, что высвобождение диоксидина и гентамицина сульфата из криогеля на основе желатина происходит за 60 минут, а на основе альгината кальция - за 40 минут. Максимальная концентрация лекарственного вещества выделившегося из биополимерного носителя соответствует его расчетному значению (с учетом влагоемкости криогеля), введенному в ходе синтеза Проведенные антибактериальные тесты показали, что наибольшую антибактериальную активность проявляют гибридные лекарственные системы на основе альгинатных и желатиновых криогелей, включающих гибридные нанокомпозиты антибактериальных веществ (диоксидина и гентамицина сульфата) с наночастицами серебра и меди по сравнению с действием индивидуальных компонентов. Это свидетельствует о возможном их использовании в качестве транспортных депо-форм для адресной доставки и направленного выделения лекарственных компонентов в зоне поражения с кумулятивным эффектом действия компонентов.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Криохимичекие подходы к созданию новых гибридных наносистем и наноструктур для направленной доставки лекарственных веществ
Результаты этапа: На этапе 2018 года получены наночастиц железа (размером 3-60 нм) и магнетита (традиционным методом соосаждения 4-30 нм и низкотемпературным методом соосаждения 1-20 нм). Полученные наночастицы металлов методом криохимического синтеза включены в наночастицы лекарственных препаратов диоксидина и гентамицина сульфата. Для предотвращения восстановления наночастиц железа, гибридные композиты железа с диоксидином и гентамицина сульфатом были стабилизированы поливиниловым спиртом. Полученные гибридные системы были охарактеризованы методами ПЭМ, СЭМ, ТГ, ДСК, ИК-, УФ-, ЯМР-спектроскопии. Гибридные системы на основе магнетита показали более высокую антибактериальную активность, чем антибактериальные препараты и наночастицы магнетита по отдельности. Для гибридных систем на основе наночастиц железа наблюдалась сравнимая антибактериальная активность с антибактериальными препаратами. Наночастицы железа в сравнимых концентрациях с их концентрациями в гибридных композитах не проявляли антибактериальной активности. Полученные ранее системы на основе диоксидина, гентамицина сульфата наночастиц серебра и меди были включены в крупнопористые (10-200 мкн) биополимерные матрицы (БПМ) - криоструктураты в виде дисков на основе бычьего сывороточного альбумина (БСА), желатина, альгината кальция и хитозана. Для всех систем получены данные о скорости высвобождения лекарственного препарата из матрицы, концентрации лекарственного препарата и металла в матрице. Системы охарактеризованы методами ПЭМ, СЭМ, ТГ, ДСК, ИК-, УФ-, ЯМР-спектроскопии.
4 1 апреля 2019 г.-31 декабря 2019 г. Криохимичекие подходы к созданию новых гибридных наносистем и наноструктур для направленной доставки лекарственных веществ
Результаты этапа: В 2019 году метод криогенной сублимационной сушки был использован для получения гибридных нанокомпозитов антибактериальных лекарственных веществ (ЛВ) (диоксидина и гентамицина сульфата) и наночастиц металлов, проявляющих антибактериальную активность (серебро и медь), а также наночастиц железа и оксидов железа, обладающих магнитными свойствами (магнетита Fe3O4 и маггемит y-Fe2O3). Наличие эффективного магнитного момента у наночастиц железа, магнетита и маггемита позволяет управлять их направленным движением магнитным полем, что открывает возможность для их использования в качестве магнитных векторов для систем направленной доставки лекарственных веществ к органу-мишени или месту поражения организма. Для синтеза гибридных нанокомпозитов были получены следующие неорганические прекурсоры: наночастицы магнетита (получали соосаждением хлоридов двух- и трехвалентного железа аммиаком при 80 С) размером 4-30 нм (средний размер 9 нм), наночастицы маггемита (получали окислением наночастиц магнетита кислородом воздуха при 250 оС) размером 5-35 нм (с бинарным распределением частиц по размерам 10 и 20 нм), наночастицы железа (получали восстановлением хлорида железа (III) боргидридом натрия под действием ультразвука) размером 1-10 нм (средний размер 5 нм), наночастицы меди (получали восстановлением хлорида меди избытком гидразина гидрата с активацией процесса микроволновым излучением – 700 Вт и нагревом реакционной смеси до 80оС) размером 1-10 нм (со средним размером 4 нм), наночастицы серебра (использовали готовые марки КНД) размером частиц 1-20 нм (со средним размером 8 нм). Для установления состава и размера полученных наночастиц использовали методы рентгенофазового анализа (РФА), ИК-, УФ-спектроскопии, просвечивающей (ПЭМ) и растровой (РЭМ) электронной микроскопии, динамического светорассеяния, определения удельной поверхности методом низкотемпературной адсорбции аргона. Гибридные нанокомпозиты ЛВ с неорганическими наночастицами получали распылением через пневматическую форсунку (0,5 атм) в жидкий азот водных растворов, содержащих ЛВ (диоксидин или гентамицина сульфат) (1 масс%), наночастицы металла, обладающего антибактериальной активностью (серебро или медь) (0,01 мас%) и наночастицы металла или оксида металла, обладающие магнитными свойствами (железа, магнетита или маггемита) (0,01 мас%); затем полученные криогранулы помещали на сутки в лиофильную сушку (интервал температур: на конденсаторе -50 -55°С; на продукте от -196 до+400°С, остаточное давление в камере (6 – 8) ·10-2 Торр). Полученные гибридные наночастицы обладали магнитными свойствами. Согласно экспериментальным данным, полученным методами РФА, ИК-, УФ-спектроскопии, ПЭМ и РЭМ, определения удельной поверхности методом низкотемпературной адсорбции аргона, термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) полученные гибридные нанокомпозиты представляют собой частицы лекарственного вещества размером 50-350 нм, внутри и на поверхности которых находятся неорганические наночастицы металлов и оксидов металлов размером 1-35 нм. На этапе 2019 года на примере желатиновых матриц были продолжены работы по установлению влияния условий криохимического синтеза, в том числе концентрации биополимерного предшественника (2; 2,5 и 3%) на структуру и длительность высвобождения ЛВ. Желатиновые матрицы, полученные при различных концентрациях предшественника (2% - Ж2; 2,5% - Ж2,5; 3% - Ж3) были импрегнированы диоксидином и получены кинетические кривые его высвобождения в раствор. Матрица Ж2 содержала 25,9 масс% диоксидина, высвобождение которого протекало за 45 минут, матрица Ж25 содержала 23 масс% диоксидина, высвобождение которого протекало за 55 минут, матрица Ж3 содержала 21 масс% диоксидина, высвобождение которого протекало за 100 минут. Таким образом с ростом концентрации предшественника наблюдается рост времени высвобождения ЛВ. Помимо методов, основанных на криогенной сублимационной сушке для получения гибридных систем диоксидина с наночастицами серебра, были использованы методы низкотемпературной со-конденсации паров лекарственного вещества и металла. Этот метод позволяет получить гибридные композиты с частицами меньшего размера от 20 до 200 нм в зависимости от условий сублимации ЛВ и скорости потока инертного газа носителя, размер включенных частиц серебра в зависимости от условий испарения составлял от 1 до 12 нм, средний диаметр частиц 5 нм. Для полученных гибридных наносистем было проведено тестирование их антибактериальной активности в отношении E. coli, S. aureus, B. cereus, P. aeruginosa. Согласно полученным данным сочетание лекарственного вещества и неорганических наночастиц серебра, меди, магнетита, маггемита (1 масс % от лекарственного вещества) приводит к эффекту возрастания антибактериальной активности по сравнению с отдельными компонентами, добавление наночастиц железа (1 масс % от лекарственного вещества) не приводит к росту или снижению активности по сравнению с исходным ЛВ. Для систем, содержащих ЛВ, наночастицы серебра или меди и магнитные наночастицы (Fe3O4, Fe2O3, Fe) наблюдается - более высокая антибактериальная активность по сравнению с индивидуальными компонентами систем и гибридными системами на основе ЛВ и магнитных частиц и - сравнимая или большая по сравнению с гибридными системами на основе ЛВ и наночастиц металлов, обладающих бактерицидными свойствами (серебро, медь). Таким образом, включение магнитных наночастиц в гибридные наносистемы на основе диоксидина или гентамицина сульфата с наночастицами меди или серебра не только не снижает наблюдаемый эффект возрастания антибактериальной активности при сочетании антибактериального препарата и биоактивных металлов, но позволяет управлять полученными магнитными системами при помощи магнитного поля. В 2019 году были проведены работы по модификации полученных ранее матриц на основе бычьего сывороточного альбумина и альгината кальция. Синтез матриц на основе альгината кальция был проведен с применением разработанной в ходе выполнения проекта методики «замораживания с перемешиванием», что позволило получить «сверхлегкие» (с плотностью менее 0.01 г/см3) криоструктурированные матрицы на основе альгината кальция. Ранее подобного типа пористый материал на основе полисахаридов был не известен. Согласно микрофотографиям, полученным методом оптической микроскопии, полимерному материалу свойственна сильная микрогетерогенность в отношении как формы, так и размеров (100-400 мкм) пор, а их стенки занимают незначительную часть площади кадра. Это свидетельствует о том, что на долю крупных пор приходится бόльшая часть объема материала в целом. Это выгодно отличает разработанные системы от полученных ранее Са-альгинатных образцов с диаметром пор 10-50 мкм, и позволяет увеличить наполнение получаемых полимерных матриц лекарственным компонентом или его композицией. Результаты измерения удельной плотности полученных матриц, сформированных на основе 1.0-2.5%-ных растворов альгината натрия (концентрация полимера в исходном растворе, масс.% - плотность губчатого образца на основе альгината Ca, г/см3±0.003): 1 – 0,018; 1,5 – 0,024; 2 – 0,027; 2,5 – 0,038;). Для полученных «сверхлегких» Са-альгинатных систем были изучены их осмотические свойства, т.е. удельный объем воды или физиологического раствора, поглощаемого пористой губкой, а также степень набухания в воде полимерной фазы материала, т.е. стенок его ячеек-макропор (концентрация полимера в исходном растворе, масс.% – количество удерживаемой воды, г/г полимера – количество удерживаемого физиологического раствора, г/г полимера – степень набухания полимерной фазы (стенок макропор матриц), г воды /г полимера): 1 – 25.9±1.3 – 27.9±1.6 – 4.83±0.55; 1.5 – 21.9±0.5 – 23.5±1.9 – 3.81±0.16; 2.0 – 19.5±0.5 – 19.4±0.8 – 3.59±0.11; 2.5 – 19.0±0.9 – 18.9±1.1 - 2.38±0.16). Таким образом, такие Са-альгинатные образцы в зависимости от содержания полисахарида в растворе, используемом для формирования материала, в расчете на 1 г полимера способны впитывать от 19 до почти 26 мл воды и от примерно также 19 до почти 28 мл физиологического раствора. При этом значения данного параметра снижаются по мере повышения исходной концентрации альгината натрия в растворе, подвергаемого затем криогенному структурированию в присутствии ионов Ca2+ с использованием техники «замораживания с перемешиванием». Аналогичная тенденция имеет место и для значений степени набухания нерастворимой фазы таких гетерофазных губок – чем большее количество полимера входит в состав стенок макропор, тем слабее они набухают, поскольку полимерные цепи образуют там более густую трехмерную сетку, часто сшитую ионами кальция. Матрицы на основе альгината кальция, полученные с использованием 1,5 и 2,5 % растворов предшественника, были заполнены диоксидином и гентамицина сульфатом. Массовая доля ЛВ после импрегнирования матриц, полученных с использованием 1,5% раствора альгината натрия, составляла 18%. Полностью ЛВ высвобождались за 70 минут. Массовая доля ЛВ после нанесения для матриц, полученных с использованием 1,5% раствора альгината натрия, составляла 16%. Полностью ЛВ высвобождались за 80-90 минут. Таким образом, включение в синтез альгинатных матриц стадии замораживания с перемешиванием поволило получить новые «сверхлегкие» носители для лекарственных веществ, которые удерживают большее количество ЛВ на своей поверхности (16-18% по сравнению с 4-5 % для Са-альгинатных матриц полученных ранее) и обеспечивающие более длительное время высвобождение ЛВ (в два раза, по сравнению с полученными ранее). Кроме того, полученные системы обладали более высокой антибактериальной активностью, чем полученные ранее системы на основе гентамицина сульфата или диоксидина и Са-альгинатных матриц. Полученные ранее полимерные матрицы на основе бычьего сывороточного альбумина в 2019 году были подвергнуты пост-химическому модифицированию (сукцинилированию ангидридом янтарной кислоты). Данный вид химической модификации приводит к повышению суммарного отрицательного заряда молекулы белка вследствие ковалентного присоединения янтарной кислоты к ε-аминогруппам белковых остатков лизина. Поэтому модифицированные матрицы могут образовывать диссоциирующие связи с удерживаемым лекарственным веществом и ионами на поверхности наночастиц меди и серебра. Биодеградацию криогелей БСА изучали, используя фермент трипсин, который расщепляет пептиды и белки. Оптимальная каталитическая активность этого фермента достигается при pH 7.8÷8.0. Криогели БСА погружали в физиологический раствор с ферментом трипсином, концентрация которого составляла 0.05 мас. %. При исследовании биодеградации выявлено, что 50 % потеря веса криогелей БСА, помещенных в раствор трипсина, достигалась за38 часов, практически в 5 раз быстрее, чем при инкубации модифицированных янтарным ангидридом криогелей БСА (192 часа), что указывает на активное ферментативное разрушение немодифицированной альбуминовой матрицы. Таким образом, время биодеградации криогелей БСА зависит от наличия специфических функциональных групп в белке. Варьируя концентрацию полимерных предшественников (как было показано ранее) и/или концентрацию модификатора в системе можно создать биоматериалы для медицинских целей с заданным сроком деградации. В матрицы на основе БСА по методике, описанной ранее для Са-альгинатных образцов, были включены диоксидин и гентамицина сульфат. Если массовая доля диоксидина в немодифицированной БСА матрице составляла 9,5% и высвобождение диоксидина в водный раствор протекало за 1,5 часа, то в случае химически модифицированных янтарным ангидридом матриц массовая доля включенного диоксидина составляла 11,3, а его высвобождение происходило, за 3 часа, т.е. в 2 раза дольше. В случае гентамицина сульфата массовая доля ЛВ в составе немодифицированной матрицы и время его высвобождения были аналогичны. В случае модифицированной матрицы массовая доля гентамицина сульфата составляла 11,9 и его высвобождение происходило за 4 часа. Системы на основе сукцинилированных матриц БСА и ЛВ проявили большую активность в отношении E. coli 52, чем системы на основе матриц, не подвергшихся химическому модифицированию. Проведенная модификация полимерных матриц позволила повысить в 2 и более раза время высвобождения лекарственных препаратов из матриц. В модифицированные матрицы методом пропитки можно в одну стадию внести большее количество диоксидина или гентамицина сульфата, чем в немодифицированные, поэтому системы на их основе обладали большей антибактериальной активностью. Включение гибридных наносистем на основе антибактериальных лекарственных веществ (диоксидина и гентамицина сульфата) и наночастиц металлов, проявляющих выраженную антибактериальную активность (серебро и медь), а также неорганических наночастиц, обладающих магнитными свойствами в высокопористые «сверхлегкие» матрицы на основе альгината кальция или бычьего сывороточного альбумина после пост-химического модифицирования (сукцинилирования) не приводит к уменьшению эффекта синергетического возрастания антибактериальной активности полученных систем по сравнению с индивидуальными компонентами.Антибактериальная активность гибридных систем на основе антибактериальных препаратов, наночастиц металлов, проявляющих антибактериальную активность (серебро и медь), а также наночастиц, обладающих магнитными свойствами (железо, магнетит и маггемит) после включения в модифицированные матрицы была выше чем индивидуальных компонентов систем и гибридных систем на основе ЛВ и магнитных частиц, включенных в те же матрицы и сравнимая или большая по сравнению с гибридными системами на основе ЛВ и наночастиц металлов, обладающих бактерицидными свойствами (серебро, медь), включенными в те же матрицы.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Криохимичекие подходы к созданию новых гибридных наносистем и наноструктур для направленной доставки лекарственных веществ
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".