Полимерные гидрогели на основе этилакрилата с антибактериальными свойствами

Polymeric hydrogels based on ethyl acrylate with antibacterial properties

Aiganym Azhkeyeva

PhD doctoral student of the Institute of Chemical and Biological Technologies Satpayev University, specializing in "Chemical Technology of Organic Substances", Satbayev University, Kazakhstan, Almaty

Raichan Rachmetullayeva

candidate of Chemical Sciences, senior teacher in Al-Farabi Kazakh National University, Kazakhstan, Almaty

Gulzhakhan Yeligbayeva

Doctor of chemistry, professor, head of the department of chemical technologies of Satbayev University, Kazakhstan, Almaty

Grigoriy Mun

Doctor of chemical sciences, professor, head of the department of chemistry and technology of organic substances, natural compounds and polymers, Chairman of the Department of Petroleum and Chemical Technology, Kazakh National University, Kazakhstan, Almaty

Ainur Abisheva

Master's degree student of the Institute of Chemical and Biological Technologies Satpayev University, specializing in "Chemical Technology of Organic Substances», Satbayev University, Kazakhstan, Almaty

Asemkul Seilova

Master's degree student specializing in "Chemical Technology of Organic Substances», Kazakh National University, Kazakhstan, Almaty

Lazzat Jumagaliyeva

Chemistry teacher, school-gymnasium № 110, Kazakhstan, Almaty

Аннотация. В работе с целью использования гидрогелей на основе 2-гидроксиэтилакрилата (ГЭА) и этилакрилата (ЭА) в качестве доставки лекарственных веществ, были изучены их взаимодействие с лекарственным веществом. А также, с целью изучения антибактери­альных свойств гидрогелей были получены гидрогели, сорбированные с разными лекарственными веществами и исследованы их анти­бактериальные свойства. Обнаружено, что только образцы гидрогелей, сорбированные лекарственными веществами, показали антибактери­альные свойства.

Abstract. In work with the aim of using hydrogels based on 2‑hydroxyethyl acrylate (HEA) and ethyl acrylate (EA) as the delivery of drugs, their interaction with the drug substance was studied. And also, to study the antibacterial properties of hydrogels, hydrogels sorbed with different drug substances were obtained and their antibacterial properties were investigated. It was found that only samples of hydrogels sorbed with medicinal substances showed antibacterial properties.

Ключевые слова: 2-гидроксиэтилакрилат; n-изопропилакриламид; гидрогели; водородные связи; гентамицин; линкомицин; гидрофобные взаимодействия.

Keywords: 2-hydroxyethyl acrylate; N-isopropylacrylamide; hydrogels; hydrogen bonds; gentamicin; lincomycin; hydrophobic interactions.

Введение. На сегодяшний день ученые ищут пути оптимизации усвоения, а также скорости и времени воздействия на организм биологических активных веществ и новых лекарств. Такие системы обеспечивают внедрение в организм лекарственных препаратов по установленной программе и усвоение лекарств длительное время – от нескольких дней до нескольких месяцев.

Образование полимерно-лекарственных веществ происходит за счет сорбций полимерных материалов лекарством, ковалентной связью полимерной основы и биологически активного вещества, комплексом высокомолекулярного лекарства и полимера, использованием интер­полимерного комплекса с низкомолекулярной связующей. Гидрофильные полимерные решетки, их линейные аналоги, комплекс интерполимеров, нано- и микрогели используются как матрица для иммобилизации системы лекарственных веществ [1; 4; 5].

В связи с этим в работе изучены закономерности взаимодействия полимерных гидрогелей на основе 2-гидроксиэтилакрилата (ГЭA) и этилакрилата (ЭA) с лекарственными веществами (ЛВ). В качестве ЛВ были взяты линкомицин и гентамицин [3].

Экспериментальная часть.

Исходные вещества: мономеры, полимеры и растворители.

2-гидроксиэтилакрилат (ГЭА) производства фирмы «Sigma Aldrich» (США) применяли без дополнительной очистки с содержанием основного вещества 99.9 %.

Этилакрилат (ЭА) производства фирмы «Sigma Aldrich» (США) применяли без дополнительной очистки с содержанием основного вещества 99.9 %.

Динитрил азо-бис-изомасляной кислоты (ДАК) марки «ч» производства фирмы «Acros» (США) дважды перекристаллизовывали из абсолютного этанола.

Персульфат аммония марки «ч» производства фирмы «Sigma Aldrich» (США) применяли без дополнительной очистки с содержанием основного вещества 99.9 %, Т_пл=120^оС.

N,N’-мeтилен-биc-aкриламид (БAA) («Reanal», Вeнгрия) применяли без дополнительной очистки.

В качестве лекарственных веществ (ЛВ) были взяты линкомицин и гентамицин [4].

Линкомицин (С₁₈Н₃₄N₂O₆S) и Гентамицин (С₂₁Н₄₃N₅O₇) («Бoрисoвский завод медицинских препаратов», Республика Беларусь) использовались в разбавленном растворе.

Хлорид нaтрия (NaCl) марки «х.ч.», использовали без очистки.

Для приготовления растворов использовали дистиллированную воду.

Синтез сополимеров ГЭА-ЭА сетчатой структуры.

Водонабухающие сополимеры ГЭА-ЭА разного состава были синтезированы методом радикальной сополимеризации при 60°С. В качестве инициатора был использован персульфат аммония и в качестве сшивающего агента – бисакриламид (БАА).

Сополимеризацию проводили в ампулах из молибденового стекла. Содержимое ампул для освобождения реакционной смеси от кислорода продували аргоном в течение 20 минут.

Равновесную степень набухания a полимерных гидрогелей определяли по формуле:

a= (m-m₀) / m₀ ,

где:   m – масса равновесно набухшего полимера;

m₀ – масса сухого геля.

Массу сухого вещества определяли после высушивания образца в вакуумном шкафу до постоянного веса. Степень набухания определяли в нескольких параллельных опытах.

Результаты и их обсуждение. В работе изучена кинетика набухания гидрогелей в водном растворе хлорида натрия и лекар­ственных веществ: гентамицина и линкомицина. В ходе исследования было установлено, что для всех полимерных гидрогелей степень набухания в водным растворе линкомицина и гентамицина значи­тельно снижается (кривые 2,3 на рисунках 1-3), по сравнению в водном растворе хлорида натрия. Это обусловлено комплексо­образованием за счет водородных связей и гидрофобного взаймо­действия между полимерной сеткой и лекарственными веществами. А также было выявлено, что чем выше процентное содержание ЭА в исходной мономерной смеси, тем ниже взаймодействие с лекарствами, то есть кинетика набухания значительно снижается. Это объясняется ускорением гидрофобного взаимодействия в структуре сополимера.

ИМС [ГЭА-ЭА]=30-70 мол.%; NaCl (1) 0.9 %; линкомицин (2); гентамицин (3); [ЛВ] = 0.05 мол.%.

Рисунок 1. Кинетика набухания гидрогеля ГЭА-ЭА в различных средах

ИМС[ГЭА-ЭА]=50-50 мол.%; NaCl (1) 0.9 %; линкомицин (2); гентамицин (3); [ЛВ] = 0.05 мол.%.

Рисунок 2. Кинетика набухания гидрогеля ГЭА-ЭА в различных средах

ИМС [ГЭА-ЭА]=70-30 мол.%; NaCl (1) 0.9 %; линкомицин (2); гентамицин (3); [ЛВ] = 0.05 мол.%.

Рисунок 3. Кинетика набухания гидрогеля ГЭА-ЭА в различных средах

Применение сополимера на основе ГЭА и ЭА в качестве носителя физиологических веществ имеет ряд преимуществ. Для них характерно нижняя критическая температура растворения, которая находится только в физиологической температурной зоне человека [2]. Это дает возможность наблюдать за целесообразным перенесением и выделением лекарственных веществ. Потому что, многие отклонения в организме связано с изменением температуры и рН. Поэтому использование полимерных гелей в зависимости от температуры имеет особое значение как носителя физиологически активных веществ.

Ранее полученные полимерные гидрогели на основе сополимеров ГЭА-ЭA имеют термоиндуцируемый коллапс, т. е. при повышении температуры изменение набухающего отношения гидрогелей резко изменяется [2].

С целью изучения переноса физиологически активных препаратов и их устойчивости к бактериям проведены исследования гелей, в состав которых были внедрены различные лекарственные препараты, путем разрушения специально выращенных бактерий на базе Института микробиологии и вирусологии Республики Казахстан.

Активность образца вычислялась путем снижения скорости инактивации (European Standard EN 1040, 1997) антисептиком, который соответствует европейскому стандарту, микроорганизмов типа S. aureus ИМВ 9.

В работе полученные гидрогели после синтеза очищались от непрореагировавших мономеров несколько недель, а потом высушенные до постоянной массы гели толщиной 1-1.5 мм и диаметром 7-8 мм выдерживались в растворах гентамицина (15; 30 мг) и линкомицина (10; 20 мг) в течении суток при комнатной температуре.

К бактериям, выращенным в чашках Петри в термостате при температуре 37°C были добавлены гели, содержащие лекарственные препараты. В качестве эталона были использованы набухшие гели в дистиллированной воде.

Гидрогели и модифицированные лекарственными средствами (линкомицин и гентамицин) образцы получали в виде таблеток.

Как видно из таблицы и на рисунках 4-6 высокую активность по отношению к бактериям проявляют гели, модифицированные такими лекарственными препаратами как гентамицин и линкомицин, причем гели с добавлением линкомицина значительно активнее, чем гели сорбированные гентамицином. Также в ходе работы было выявлено, что антибактериальные свойства гелей зависят от исходного моно­мерного состава (ИМС) и концентраций лекарственных средств. Обнаружено, что при концентрации линкомицина 20 % и при большом количестве ЭА в структуре ИМС, стойкость по отношению к бактериям повышается.

Таблица 1.

Антибактериальные свойства гидрогелей, содержащих ЛВ

ИМС [ГЭА-ЭА]=80-20 (а); 90-10 (б) мол.%; S. aureus ИМВ 3316 рост грибов (№№ 11-12 образцы геля)

Рисунок 4. Антимикробные свойства гидрогелей на основе ГЭА-ЭА без лекарственных веществ

ИМС [ГЭА-ЭА]=80-20 (а); 90-10 (б) мол.%; S. aureus ИМВ 3316 рост грибов (№№ 7-8 образцы геля)

Рисунок 5. Антимикробные свойства гидрогелей на основе ГЭА-ЭА с гентамицином

ИМС[ГЭА-ЭА]=80-20 (а); 90-10 (б) мол.%; S. aureus ИМВ 3316 рост грибов (№№ 5-6 образцы геля)

Рисунок 6. Антимикробные свойства гидрогелей на основе ГЭА-ЭА с гентамицином

Таким образом, в работе была исследована кинетика набухания гидрогелей на основе ЭА и ГЭА в водных растворах хлорида натрия и в водных растворах гентамицина и линкомицина. В ходе работы было выявлено значительное понижение степени набухания гидрогелей в водных растворах хлорида натрия, чем в водных растворах гентамицина и линкомицина. Активность гидрогелей, иммобилизованных лекарственными препаратами проверялась путем взаимодействия последних с дрожжевидным грибком типа S. aureus ИМВ 9 и подав­лением его роста. Было выявлено, что гели пропитанные растворами гентамицина и линкомицина проявляют наибольшую активность по отношению к микробам.