7 Введение
Актуальность проблемы. Наряду с традиционным направлением радиационной технологии полимеров, связанным со сшиванием и деструкцией полимерных материалов, отверждением полимерных покрытий на различных поверхностях, развиваются новые направления в радиационной химии и технологии высокомолекулярных веществ: исследование и производство различных полимерных трековых мембран, получение биоматериалов с использованием ионизирующего излучения. Одним из актуальных направлений радиационной химии полимеров является синтез гидрофильных полимерных соединений высокой степени чистоты с заранее заданными молекулярно-массовыми характеристиками для нужд фармакологии и медицины.
Такие преимущества метода радиационно-химического синтеза как: высокая чистота получаемых полимеров (ввиду отсутствия инициаторов и катализаторов), возможность вовлекать в процесс
«труднополимеризующиеся» мономеры, проводить синтез при комнатных и более низких температурах с одновременной стерилизацией получаемых композиций - обуславливают предпочтительность использования данного подхода для получения полимеров-носителей биологически активных веществ.
К перспективным синтетическим полимерам-носителям могут быть отнесены полимеры на основе акрилоилморфолина (AM), который по многим своим свойствам подобен N-винилпирролидону (ВП), однако, не так подробно исследован. Высокая биосовместимость и низкая токсичность этих соединений обуславливают поиск новых биоматериалов на их основе, которые могут быть использованы, например, для получения лекарственных веществ направленного транспорта. Однако AM и ВП не содержат реакционноспособные группы, способные вступать в ковалентное взаимодействие с биологически активными веществами в мягких условиях.
8
Одним из способов функционализации AM и ВП является их сополимеризация с ненасыщенными карбоновыми кислотами, амидами, эфирами и другими непредельными соединениями. Большие возможности для получения функционализированных сополимеров AM и ВП с заданными характеристиками предоставляет метод радиационно-химического синтеза. Изучение особенностей радиационной сополимеризации данных гидрофильных мономеров с различными непредельными функциональными соединениями позволит осуществлять направленный синтез полимерных веществ, перспективных для применения в фармакологии и медицине в качестве полимеров-носителей БАВ.
Цель работы. Целью настоящей работы явилось исследование влияния условий проведения процесса радиационной полимеризации на выход, состав, структуру и молекулярные характеристики гомополимеров акрилоилморфолина, сополимеров акрилоилморфолина и N-винилпирролидона с различными функциональными сомономерами, а также определение оптимальных условий проведения процесса, позволяющих при минимальных дозах у-облучения получать сополимеры с высоким выходом, заранее заданным составом и молекулярными характеристиками. В связи с этим, были поставлены и решались следующие задачи:
1. Изучить закономерности радиационной гомополимеризации AM в различных спиртах (метаноле, этаноле, н-пропаноле, изопропаноле, н-бутаноле, изобутаноле, деканоле и глицерине).
2. Определить молекулярно-конформационные характеристики гомополимеров акрилоилморфолина.
3. Выявить особенности радиационной сополимеризации AM с непредельными карбоновыми кислотами, обладающими различной полимеризационной активностью и длиной алкильного радикала (акриловой, 4-пентеновой и ундециленовой кислотами), а также с винилацетатом.
9
4. Осуществить радиационно-химический синтез сополимеров ВП с труднополимеризуемым соединением - аллил(тио)уксусной кислотой.
5. Показать возможность регулирования характеристик получаемых сополимеров в широком диапазоне; определить факторы, оказывающие доминирующее влияние на степень превращения мономеров, состав, структуру и молекулярные характеристики гомо- и сополимеров AM и сополимеров ВП.
6. Методом радиационно-химического синтеза получить новые гидрофильные сополимеры на основе акрилоилморфолина и N-винилпирролидона - потенциальные носители биологически активных веществ.
Научная новизна работы.
1. Впервые проведено систематическое исследование особенностей процесса радиационной гомополимеризации AM в различных средах.
2. Установлена связь между характеристической вязкостью и молекулярной массой для гомополимера акрилоилморфолина, описываемая уравнением Марка-Куна-Хаувинка, и оценена величина сегмента Куна.
3. Выявлены основные факторы, оказывающие влияние на радиационно-химический синтез сополимеров акрилоилморфолина с ненасыщенными карбоновыми кислотами и винилацетатом в водно-спиртовых смесях.
4. Впервые методом радиационной полимеризации получены сополимеры N-винилпирролидона с труднополимеризуемым мономером аллильного типа - аллил(тио)уксусной кислотой.
Практическая значимость работы.
1. Определены оптимальные условия проведения процесса радиационной полимеризации, позволяющие при минимальных дозах у-облучения
10
получать сополимеры с высоким выходом, заранее заданным составом и молекулярными характеристиками.
2. Методом радиационно-химического синтеза получены сополимеры акрилоилморфолина с акриловой, 4-пентеновой, ундециленовой кислотами и винилацетатом, а также сополимеры N-винилпирролидона с аллил(тио)уксусной кислотой в широком диапазоне молекулярных масс, с различным содержанием функциональных групп, перспективные для использования в качестве полимеров-носителей биологически активных веществ.
и
1. Обзор литературы
1.1 Полимеры медико-биологического назначения
1.1.1 Требования, предъявляемые к полимерам-носителям БАВ
Достижения химии высокомолекулярных соединений в последнее время стали широко применяться для решения ряда проблем медицинской практики. Синтез полимеров медико-биологического назначения является одним из перспективных направлений химии полимеров [1-3]. Полимеры медико-биологического назначения — биологически активные полимеры (БАП) — делятся на две основные группы. К первой группе принадлежат соединения, активность которых определяется их макромолекулярной природой и возникает только на полимерном уровне [1]. Вторую группу синтетических полимеров составляют макромолекулярные вещества, представляющие собой конъюгат синтетического полимера-носителя с биологически активным веществом (БАВ), которое по своей природе может быть как низкомолекулярным, так и высокомолекулярным. Подобные конъюгаты получили название БАП прививочного типа [2].
Полимерные производные физиологически активных веществ являются новым типом лекарственных препаратов, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с низкомолекулярными лекарственными органическими соединениями. Благодаря введению полимерного вещества, увеличивается молекулярная масса препарата, что обеспечивает его пролонгированное действие при однократном введении (особенно существенно при использовании низкомолекулярных лекарственных форм), а также снижаются или полностью устраняются колебания концентрации БАВ в крови и тканях, которые имеют место при периодически повторяющихся приемах препарата. Кроме того, полимер-носитель маскирует поверхность БАВ, за счет чего нивелируется воздействие антигенов, антител и протеолитических ферментов на его активные центры, а также уменьшаются токсические свойства самого препарата, что, в свою очередь, позволяет
12
увеличить разовую дозу вещества при сохранении терапевтического эффекта. Таким образом, благодаря макромолекулярной составляющей, синтезированные полимерные производные физиологически активных веществ приобретают новые свойства, которыми не обладают их низкомолекулярные аналоги [1-7].
Учитывая, что полимер-носитель в значительной мере определяет физико-химические и гидродинамические свойства конъюгата, а также может определять или влиять заметным образом на его биологическую функциональность, к качеству полимера-носителя предъявляется ряд требований [8]:
• полимер должен иметь хорошую растворимость в воде и в солевых растворах;
• обладать высокой биосовместимостью и низкой токсичностью, антигенностью и иммуногенностью;
• выводиться из организма с заданной скоростью после выполнения своей функции;
• в его структуру должны входить функциональные группы, способные вступать во взаимодействие с БАВ.
Сформулированные требования накладывают определенные ограничения на такие физико-химические характеристики полимера-носителя, как структура, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение. В связи с вышесказанным, спектр используемых для этих целей высокомолекулярных соединений весьма ограничен: это природные полимеры (декстран, агароза, полипептиды и т. д.), а также синтетические (например, поливинилпирролидон, поливиниловый спирт,
полиэтиленгликоль, поливинилацетат, поли-Ы-(2гидроксипропил)-
метакриламид, полифосфазены, полиакрилоилморфолин и т.д.) [1, 6, 7, 9-11].
В отличие от декстрана, который гидролизуется в организме под действием фермента декстраназы, синтетические полимеры не подвергаются
13
в организме сколько-нибудь значительному биорасщеплению. Эта устойчивость обуславливает не только их преимущества перед природными полимерами-носителями (возможность длительного пребывания в организме), но и серьезный недостаток — способность при достаточно большой молекулярной массе отлагаться и накапливаться в тканях некоторых органов, нарушая их нормальную деятельность. Поэтому к синтетическим полимерам, предназначенным для инъекционных целей, предъявляются жесткие требования по величине молекулярной массы и молекулярно-массовому распределению [12]. В работе [13] приведены данные по исследованию выведения и распределения в организме крыс двух образцов 14С-меченного ПВП с относительно низкой ММ (40000 и 90000) и известным ММР. В результате было установлено, что продолжительного накопления ПВП в живом организме можно избежать путем сокращения содержания высокомолекулярных фракций. Таким образом, через поры эпителия почечных клубочков не могут выводиться макромолекулы с молекулярной массой более 40000. Это означает, что сополимер-носитель БАВ не должен содержать фракций с молекулярной массой более 40000.
Фактором, способным также оказывать негативное влияние на свойства БАП, является полидисперсность полимеров-носителей, поскольку она отражается в полидисперсности получаемых конъюгатов [14]. Необходимо учитывать, что именно монодисперсность полимера играет немаловажную роль в направленном транспорте целевого продукта в пораженный орган, предотвращая его распространение по другим системам организма. На примере изучения свойств биологических производных ПЭГ было продемонстрировано, что оптимальные значения полидисперсности (Mw/Mn) достигают 1.01 для низкомолекулярных олигомеров (3-5 кДа) и 1.20 для высокомолекулярных олигомеров (20 кДа).
Оптимизация молекулярно-массовых характеристик полимеров достигается подбором экспериментальных условий синтеза полимеров и
14
последующим фракционированием, а также привлечением методов деструкции в мягких условиях, в частности, ультразвуковой деструкции, которая сопровождается разрывом С-С связей основной цепи макромолекулы [15].
Фармакокинетика полимерных производных БАВ заметно отличается от фармакокинетики низкомолекулярных аналогов. Варьируя гидрофильно-липофильный баланс полимера, можно получать носители для БАВ с различным распределением между плазмой, лимфой, межклеточной жидкостью, а также между биожидкостями и тканями организма. При этом фармакологическая активность иммобилизованных лекарственных форм, нейромедиаторов, гормонов и других веществ, реализуемая через специфическое взаимодействие с рецепторами, может сохраняться [16].
Перечисленные выше синтетические полимеры-носители не содержат в своей структуре групп, обеспечивающих ковалентное присоединение лекарственных веществ в мягких условиях. В связи с этим полимеры модифицируют, вводя в них необходимые функциональные группы (альдегидные, хлорметильные, хлорсульфоновые,
сульфгидрильные, эпоксидные, карбоксильные, гидроксильные, аминные, амидные и т. д.) как путем сополимеризации с функциональными мономерами, так и посредством полимераналогичных превращений [17-19]. При этом важно, чтобы функционализированный полимер имел в своей структуре сбалансированное число реакционноспособных групп, чтобы с одной стороны обеспечивать надежное удерживание БАВ, а с другой — минимизировать эффект поперечного сшивания конъюгатов [15]. Подобное неблагоприятное явление имеет место при использовании таких природных полимеров-носителей, как декстран и сывороточный альбумин [20-22].
Таким образом, высокая стабильность, иммуноинертность, наряду с возможностью получения соединений с заданными молекулярно-массовыми
15
характеристиками и химическими свойствами, обуславливают предпочтительность использования именно синтетических гидрофильных полимеров в качестве носителей БАВ.
1.1.2 Бионедеградируемые синтетические полимеры-носители на основе полиакрилоилморфолина и поливинилпирролидона
Полиакрилоилморфолин (ПАМ) и поливинилпирролидон (ПВП) принадлежат к немногочисленному ряду синтетических полимеров, разрешенных к применению в медицине (ПАМ такого разрешения на территории России пока не имеет).
Наиболее пригодным и доступным из синтетических полимеров-носителей является поливинилпирролидон (ПВП), токсикологические, иммунологические и физиологические свойства которого хорошо изучены [23]:
т
¦СНо—"
/N\
Н2С
\
С СО
2С Cri2
П
Это соединение широко используется в качестве главного компонента кровезамещающих растворов, на его основе разработаны препараты, обладающие высокими сорбционными свойствами, связывающие различные токсические вещества и способствующие их быстрому выведению из организма.
ПВП обладает высокими комплексообразующими свойствами, и эти его свойства используются для пролонгации действия многих лекарственных веществ и улучшения качества пищевых продуктов [24, 25]. Однако комплексы ПВП, как правило, обладают низкой стабильностью, и в связи с
16
этим существует насущная потребность во введении в структуру ПВП функциональных групп для ковалентного связывания различных модифицируемых веществ. Наиболее предпочтительным путем введения нужных функциональных групп в ПВП является сополимеризация ВП с функциональными мономерами, содержащими двойные связи [26].
Среди множества сополимеров на основе ВП-носителей БАВ можно выделить группу карбоксилсодержащих БАВ. Карбоксильные группы вводят в ПВП, главным образом, путем сополимеризации ВП с ненасыщенными карбоновыми кислотами. В литературе описаны сополимеры ВП с акриловой [27-30], метакриловой [27-29, 31, 32], кратоновой [33, 34], коричной [35], ундециленовой, олеиновой [36], малеиновой и другими кислотами [37]. Синтез этих сополимеров осуществляется как радиационной, так и «вещественно» инициированной сополимеризацией.
При изучении сополимеризации ВП с кратоновой, акриловой, метакриловой и другими кислотами обнаружено, что взаимодействие сомономеров изменяет их реакционную способность в процессах сополимеризации. Это объясняют образованием молекулярного комплекса с водородной связью и ионного комплекса вследствие переноса протона от кислоты к амиду. Считается, что уменьшение активности связанного в комплекс ВП при его сополимеризации с кислотами обусловлено стерическими факторами, а также электростатическим отталкиванием протонированных молекул. Но вместе с тем известно, что в присутствии кислоты протекает реакция присоединения спирта по винильной связи ВП, приводящая к расходу двойных связей в мономере [38]. Было установлено, что в результате реакции гидролиза винильной группы ВП в водном растворе
В ПРИСУТСТВИИ КИСЛОТЫ ОСНОВНЫМ ПРОДУКТОМ ЯВЛЯеТСЯ N-(0t-OKCH3THJl)-
пирролидон [39]. То есть, при сополимеризации ВП с ненасыщенными
• кислотами в водных и спиртовых растворах необходимо учитывать
уменьшение концентрации ВП вследствие этой реакции. Показано также, что
17
скорость гидролиза и алкоголиза ВП возрастает при увеличении температуры и концентрации кислоты. Но этих реакций можно избежать, проводя сополимеризацию не с кислотами, а с их щелочными солями [40].
При использовании карбоксилсодержащих сополимеров ВП в качестве полимеров-носителей следует иметь в виду, что их функционирование зависит не только от состава, но и от вероятности чередования звеньев в цепи, а также от структурной организации макромолекул полимера-носителя в водных растворах. Так, традиционно считалось, что в сополимерах винилпирролидона с акриловой и метакриловой кислотами кислотные звенья образуют блоки. Но анализ методом спектроскопии и ЯМР 13С этих сополимеров показал, что они являются статистическими [41]. Исследованием же внутримолекулярной подвижности сополимеров ВП с МАК или с КК методом поляризованной люминесценции было установлено, что при уменьшении рН раствора в макромолекулах происходит формирование внутренней структуры. В интервале рН 4-6 наблюдается резкое уменьшение внутримолекулярной подвижности макромолекул, обусловленное образованием водородных связей между звеньями ВП и неионизованными карбоксильными группами. Причем в сополимерах с микроблочным распределением карбоксильных групп (ВП-МАК) изменения внутримолекулярной подвижности оказываются более значительными, чем в сополимерах со случайным распределением карбоксильных групп (ВП-КК) того же состава. Все это оказывает влияние на процесс взаимодействия полимера-носителя с БАВ.
Полиакрилоилморфолин может рассматриваться в качестве аналога поли-Ы-винилтгарролидона, это соединение имеет схожие строение и свойства с выше обсуждаемым веществом [42]:

Получить работу