CC BY
13
УДК 544.774.2
Комарова Д.С., Мочалова М.С., Ловская Д.Д.
Исследование процесса внедрения гидрохлорида лидокаина в частицы хитозанового аэрогеля для разработки местного гемостатического средства с анестезирующим эффектом
Комарова Дарья Сергеевна - студент группы МК-16; [email protected].
Мочалова Мария Сергеевна - младший научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического
инжиниринга;
Ловская Дарья Дмитриевна - к.т.н., старший научный сотрудник кафедры химического и фармацевтического инжиниринга;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, 123514, Москва, ул. Героев Панфиловцев, дом 20.
В представленной статье исследован процесс внедрения гидрохлорида лидокаина на этапе замены растворителя для получения частиц хитозанового аэрогеля с внедренным анестетиком. Внедрение анестетика в частицы хитозанового геля (1% масс.) было проведено с варьированием концентрации раствора гидрохлорида лидокаина. С применением метода высокоэффективной жидкостной хроматографии была определена величина массовой загрузки анестетика в полученных частицах аэрогеля. Полученные экспериментальные данные были использованы для определения констант уравнений Ленгмюра, Дубинина-Радушкевича. Ключевые слова: аэрогель, хитозан, гидрохлорид лидокаина, местное гемостатическое средство
Investigation of the process of impregneating lidocaine hydrochloride into chitosan-based aerogel particles for the development of a local hemostatic agent with an anesthetic effect
Komarova D.S., Mochalova M.S., Lovskaya D.D.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In the present article, the process of impregneating lidocaine hydrochloride at the solvent replacement stage to obtain chitosan-based aerogel particles with an impregnated anesthetic is investigated. The impregnation of an anesthetic into chitosan-based gel particles (1% by weight) was carried out with varying concentrations of lidocaine hydrochloride solution. Using the method of high-performance liquid chromatography, the value of the mass loading of the anesthetic in the obtained aerogel particles was determined. The experimental data obtained were used to determine the constants of the Langmuir, Dubinin-Radushkevich equations.
Key words: aerogel, chitosan, lidocaine hydrochloride, local hemostatic agent
Введение
Применение хитозана в качестве сырья позволяет получить аэрогель со следующими характеристиками: высокая пористость (до 99%); высокая удельная поверхность (до 600 м2/г); микро-, мезо- и макропористая структура; большой объем пор (до 1,3 см3/г); низкая плотность (от 0,05 г/см3); высокая сорбционная емкость по воде (сорбция до 60 г воды на грамм биополимера); гемостатическая активность; антибактериальная и антиоксидантная активности; отсутствие токсичности; биосовместимость; биоразлагаемость; регенеративная активность [1, 2].
Одной из наиболее перспективных областей применения аэрогеля на основе хитозана является применение в качестве гемостатического средства [2]. На настоящий момент на рынке не представлено гемостатическое средство, удовлетворяющее всем требованиям (остановка кровотечения в течение 2-5 минут из крупной артерии и вены, простота применения раненым, высокая длительность хранения, дешевизна и т.д.) [3]. К непосредственным плюсам применения аэрогелей на основе хитозана в качестве гемостатического средства можно отнести возможность внедрения активных фармацевтических субстанций (АФС) в аэрогель для придания терапевтических свойств, которые особенно
актуальны при повреждении тканей [4]. В частности, купирование болевого синдрома является одной из приоритетных задач, т.к. имеется риск возникновения болевого шока, при котором повышается вероятность летального исхода [5]. В данной работе представлены исследования, посвященные процессу внедрения гидрохлорида лидокаина в структуру частиц хитозанового аэрогеля на этапе замены растворителя для разработки местного гемостатического средства с анестезирующим эффектом.
Внедрение АФС на этапе замены растворителя реализуется посредством заполнения пор частиц гидрогеля раствором АФС (АФС растворено в применяемом для подготовки к сверхкритической сушке растворителе) и последующей сверхкритической сушки. В ходе процесса сушки сверхкритический флюид (в данной работе применяется сверхкритический диоксид углерода) выступает в роли антирастворителя. Вследствие большой разницы растворимости АФС в растворителе и, к примеру, в сверхкритическом диоксиде углерода, происходит осаждение АФС в аэрогеле. Для успешной реализации метода необходимо, чтобы внедряемая АФС растворялась в растворителе, применяемом для подготовки геля к сверхкритической сушке, и являлась нерастворимой (малорастворимой) в
сверхкритическом флюиде. Гидрохлорид лидокаина удовлетворяет данным требованиям, растворимость АФС в изопропиловом спирте (в данной работе применяется в качестве растворителя для подготовки геля к сверхкритической сушке) составляет 943 г/л, в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 45°С и диапазоне давлений 100-148 бар растворимость гидрохлорида лидокаина составляет 0,099 г/л - 0,184 г/л [6, 7].
Процесс адсорбции АФС в поры хитозанового аэрогеля на этапе замены растворителя может быть описан с применением уравнений адсорбции: Ленгмюра, Дубинина-Радушкевича и др. [8, 9]. Данные уравнения применяются для отражения зависимости величины адсорбции от равновесной концентрации раствора/отношения равновесной концентрации раствора к концентрации предельной. Каждое уравнение имеет свои допущения, в частности, некоторые уравнения могут быть использованы для описания только мономолекулярной адсорбции [8, 9]. Одним из способов определения заполненности адсорбционного слоя/адсорбционных слоев является расчет с применением Ван-дер-Ваальсовой поверхности молекулы.
Возможность описания процесса адсорбции АФС в хитозановый аэрогель с применением уравнений мономолекулярной/полимолекулярной адсорбции позволяет использовать полученные уравнения для прогнозирования требуемых параметров проведения процесса внедрения для достижения заданных дозировок гидрохлорида лидокаина, следовательно, расширяются возможности применения
гемостатического средства для купирования болевых синдромов различной интенсивности. В данной работе были получены частицы хитозанового аэрогеля с внедренным гидрохлоридом лидокаина. На основе полученных экспериментальных данных был осуществлен расчет заполненности адсорбционного слоя/адсорбционных слоев АФС. На основании полученных данных были определены константы уравнений Ленгмюра и Дубинина-Радушкевича и построены зависимости между равновесной концентраций и величиной адсорбции и определены относительные ошибки расчета в процентах.
Экспериментальная часть
В ходе данного исследования были получены частицы хитозанового геля (1% масс.) капельным методом, проведено внедрение гидрохлорида лидокаина в частицы геля на этапе замены растворителя и осуществлена сверхкритическая сушка. Методики получения частиц геля и проведения сверхкритической сушки описаны в данной статье [2]. Процесс получения частиц аэрогеля на основе хитозана можно разделить на следующие этапы: приготовление исходных растворов, гелеобразование частиц, отмывка частиц до нейтрального рН, ступенчатая замена растворителя, внедрение АФС, сверхкритическая сушка.
Для приготовления 1% раствора хитозана был подготовлен 0,1М раствор уксусной кислоты в
который порционно был внесен порошок хитозана заданной массы, растворение проводилось при постоянном перемешивании раствора. Для процесса гелеобразования и формирования частиц, в раствор 1М гидроксида натрия поступал раствор хитозана со скоростью 1мл/мин, подача осуществлялась с применением шприцевого насоса Sono-Tek 12-05126 Dual Syringe Pump. На этапе ступенчатой замены растворителя применялись водные растворы изопропилового спирта со следующими концентрациями: 10%-30%-50%-70%-90%-100%-100%-100% (% масс.). Частицы геля выдерживались в каждом растворе изопропилового спирта не менее 2 часов.
Для осуществления внедрения гидрохлорида лидокаина были приготовлены растворы со следующими концентрациям АФС в изопропиловом спирте (Таблица 1).
Таблица 1. Концентрации растворов гидрохлорида лидокаина в изопропиловом спирте применяемые при внедрении на этапе замены _растворителя
Образец С, г/мл
О-1 0,011
О-2 0,022
О-3 0,054
О-4 0,081
Подготовленные частицы хитозанового геля выдерживались в растворе гидрохлорида лидокаина на протяжении 24 часов при постоянном перемешивании лабораторным шейкером Elmi Sky Line Shaker S-3. Далее частицы упаковывались в пакеты из фильтровальной бумаги, проводилась
сверхкритическая сушка, были получены частицы хитозанового аэрогеля с внедренным гидрохлоридом лидокаина.
Одним из основных показателей успешного внедрения АФС в материал является массовая загрузка АФС, которая рассчитывается по следующей формуле (1):
w =-—-* 100% (1)
тАФС+таэро гель
где, шдфс - масса гидрохлорида лидокаина, г; Шаэрогель - масса аэрогеля, г.
Для определения массовой загрузки гидрохлорида лидокаина была проведена высокоэффективная жидкостная хроматография по следующей методике: колонка C18; подвижная фаза -метанол/вода/триэтиламин (58/42/0,4 об.), рН которой был скорректирован до 3 ортофосфорной кислотой; скорость потока - 1,0 мл/мин; объем закола - 20 мкл; УФ детектор - 240 нм; температура - 25°С [10]. Процесс осуществлялся на жидкостном хроматографе Agilent 1220 Infinity LC. Для определения концентрации АФС в растворе были заранее подготовлены растворы гидрохлорида лидокаина с известными концентрациями, на основании хроматограмм данных растворов была построена калибровочная прямая зависимости концентрации
раствора от площади пика соответствующего АФС. Для проведения аналитического исследования навеска заданной массы полученного образца выдерживалась в дистиллированной воде на протяжении 24 ч., анализу подвергалась проба полученного раствора. Путем пересчета с использованием данных о массе навески частиц и объеме дистиллированной воды вычисляли массовую загрузку, полученные результаты массовой загрузки гидрохлорида лидокаина в частицах аэрогеля представлены в виде таблицы (Таблица 2).
Таблица 2. Массовые загрузки частиц с внедренным гидрохлоридом лидокаина
Образец ■ш, %
О-1 4,56
О-2 7,35
О-3 16,63
О-4 19,17
Наблюдается повышение массовой загрузки при возрастании концентрации раствора гидрохлорида лидокаина в изопропиловом спирте. Полученный диапазон массовых загрузок частиц аэрогелей позволяет говорить о возможности получения гемостатического средства с заданным содержанием АФС и, как следствие, соблюдение дозирующего режима пациента.
Для определения заполненности адсорбционного слоя/адсорбционных слоев АФС использовался Ван-дер-Ваальсовый объем молекулы гидрохлорида лидокаина (212 А3) [11]. Данный объем принимался равным объему эквивалентной сферы. Далее находилась площадь сферы, которая является проекцией молекулы АФС на поверхность аэрогеля. Суммарную удельную площадь поверхности (м2/г), которую занимают молекулы АФС на поверхности аэрогеля, рассчитывали по следующей формуле (2).
^мол = ^1мол • ^А • ^АФС (2)
где, Slмол - площадь проекции одной молекулы АФС, м2; N = 6.02*1023 (моль-1) - число Авогадро; Аафс -загрузка активной субстанции в аэрогель, моль/г.
Доля заполненности адсорбционного слоя/числа заполненных адсорбционных слоев высчитывается как отношение площади проекции одной молекулы АФС к удельной поверхности аэрогеля. В данной работе удельная поверхность аэрогеля равна 177 м2/г. Результаты расчета доли заполненности адсорбционного слоя/числа заполненных
адсорбционных слоев для всех полученных образцов представлены в виде таблицы (Таблица 3).
Таблица 3. Результаты расчета доли заполненности адсорбционного слоя/числа _заполненных адсорбционных слоев
Образец ^мол, м2/г п
О-1 43,88 0,248
О-2 69,90 0,395
О-3 158,96 0,898
О-4 183,30 1,036
На основании полученных данных о заполненности адсорбционного слоя можно сделать вывод, что для описания процесса внедрения на этапе замены растворителя могут быть применимы уравнения адсорбции описывающие
мономолекулярную адсорбцию. К таким уравнениям относятся уравнение Ленгмюра и Дубинина-Радушкевича [8, 9].
Для определения констант данных уравнений были использованы равновесные концентрации раствора АФС, которые были получены путем определения концентрации растворов после выдерживания частиц методом высокоэффективной жидкостной
хроматографии (Таблица 4).
Таблица 4. Равновесные концентрации растворов гидрохлорида лидокаина в изопропиловом спирте полученные при осуществлении внедрения на этапе _замены растворителя
Образец Сравн, г/мл
О-1 0,0062
О-2 0,0123
О-3 0,0427
О-4 0,0655
Для определения константы уравнения Ленгмюра и константы уравнения Дубинина-Радушкевича используется графический метод и линейная форма уравнений. В данной работе была построена зависимость отношения концентрации к величине адсорбции от концентрации. С применением метода наименьших квадратов была получена линия тренда и описывающее её уравнение (рис. 1).
• ** _ • *
У=3,3619Х + 0, 1189
К = 0,995
0 0,02 0,04 0,06 0,08 С, г/мл
Рис.1. Графический метод определения константы уравнения Ленгмюра
При использовании полученных данных была вычислена константа уравнения Ленгмюра, как отношение углового коэффициента линии тренда к свободному коэффициенту линии тренда (28,3).
Был построен график зависимости логарифма величины адсорбции от логарифма отношения концентрации равновесной к концентрации предельной во второй степени. На основании метода наименьших квадратов была проведена линия тренда (рис. 2). По оси ординат линия отсекает значение -к(ЯТ)2 (Т = 298 К).
10
15
20
С й
о
-1 -2 -3 -4
V = -0,117x - 1,403 56
J R2 = 0,99
''♦t., .....« ......
(In (Сравн/Спред})л2
Рис.2. Графический метод определения константы уравнения Дубинина-Радушкевича
На основании полученного уравнения линии тренда была определена константа уравнения Дубинина-Радушкевича (0,017).
С применением рассчитанных констант уравнение Ленгмюра и уравнение Дубинина-Радушкевича принимают вид (3, 4):
лрагч=28,3:Ср„авн (3)
*расч
1+28,3*Сравн
(п (п Лрасч = - 0,017 • (8,314 • 10-3 • 298)2 • ((п-равн)2
^пред
(4)
где, Арасч - величина адсорбции, полученная при использовании уравнения, г/г;
А» - предельная величина адсорбции г/г; Сравн - равновесная концентрация, г/мл.
На основании полученных уравнений построена зависимость между концентрацией/отношением концентрации равновесной к концентрации предельной и величиной адсорбции (рис. 3, рис. 4).
0,05 0,1 С, г/мл
Рис.3. Зависимость величины адсорбции от концентрации на основании уравнения Ленгмюра
0,2
Сравн/Спред
Рис.4. Зависимость величины адсорбции от Сравн/Спред на основании уравнения Дубинина-Радушкевича
Для каждой расчетной точки было определена относительная ошибка в процентах от экспериментально полученной величины адсорбции
(5).
_ |Лрасч-4100%
А ( )
где, Лрасч - величина адсорбции, полученная при использовании уравнения, г/г;
А - величина адсорбции полученная экспериментально, г/г.
Полученная средняя относительная ошибка составила 2,9% при применении уравнения Ленгмюра, средняя относительная ошибка от экспериментальных данных при использовании полученного уравнения Дубинина-Радушкевича составила 3,2%. По полученным данным можно сделать вывод о описании экспериментальных точек (которые соответствуют долям заполнения мономолекулярного
адсорбционного слоя) с отклонением <10%, следовательно, уравнения позволяют получить значения адсорбции, приближенные к экспериментальным.
Заключение
На основании полученных экспериментальных данных было установлено, что внедрение на этапе замены растворителя позволяет получать частицы хитозанового аэрогеля с внедренным гидрохлоридом лидокаина. Повышение концентрации раствора гидрохлорида лидокаина в изопропиловом спирте для проведения внедрения позволяет получить частицы с большей массовой загрузкой. В ходе исследования были получены образцы с различной массовой загрузкой, поэтому существует возможность разработки местных гемостатических средств с различным содержанием гидрохлорида лидокаина для применения в случае болевых синдромов различной силы. На основании экспериментальных данных были получены уравнения адсорбции Ленгмюра и Дубинина-Радушкевича, которые описывают экпериментальные данные с относительной ошибкой 2,9% и 3,2% соответственно. Полученные уравнения в перспективе могут быть использованы для прогнозирования параметров внедрения гидрохлорида лидокаина в частицы для получения частиц хитозанового аэрогеля с требуемой дозировкой гидрохлорида лидокаина.
Работа выполнена при финансовой поддержке РХТУ им. Д.И. Менделеева, прикладной научно-исследовательский проект молодых штатных работников РХТУ им. Д.И. Менделеева в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» № ВИГ-2022-007.
Список литературы
1. Menshutina N. et al. Chitosan Aerogel Particles as Nasal Drug Delivery Systems // Gels. - 2022. - Т. 8. - №. 12. -С. 796-812.
2. Lovskaya D. et al. Chitosan-based aerogel particles as highly effective local hemostatic agents. production
process and in vivo evaluations // Polymers. - 2020. - Т. 12. - №. 9. - С. 2055-2066.
3. Гоменюк Д. Т., Куперин А. С., Трусов В. А. Проблема выбора оптимального местного гемостатического средства для оказания первой помощи на поле боя // Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области. - 2018. - Т. 4. - №. 3 (22). - С. 56-59.
4. Lopez-Iglesias C. et al. Vancomycin-loaded chitosan aerogel particles for chronic wound applications // Carbohydrate polymers. - 2019. - Т. 204. - С. 223-231.
5. Марусанов В. Е., Семкичев В. А. Травматический шок (догоспитальный этап) // Скорая медицинская помощь. - 2009. - Т. 10. - №. 1. - С. 39-45.
6. Zhou G. et al. Determination and correlation of solubility with thermodynamic analysis of lidocaine hydrochloride in pure and binary solvents // Journal of Molecular Liquids. -2018. - Т. 265. - С. 442-449.
7. Weinstein R. D. et al. The solubility of benzocaine, lidocaine, and procaine in liquid and supercritical carbon
dioxide // Journal of Chemical & Engineering Data. - 2004. - Т. 49. - №. 3. - С. 547-552.
8. Травин С. О. и др. Кинетическое моделирование изотерм адсорбции // Химическая физика. - 2019. - Т. 38. - №. 11. - С. 5-15.
9. Nandiyanto A. B. D. et al. Isotherm adsorption characteristics of carbon microparticles prepared from pineapple peel waste // Communications in Science and Technology. - 2020. - Т. 5. - №. 1. - С. 31-39.
10. Xu Y., Wong G. Y. Simultaneous determination of lignocaine hydrochloride, chlorhexidine gluconate, and triamcinolone acetonide in suspension by reversed-phase HPLC // Journal of liquid chromatography & related technologies. - 1999. - Т. 22. - №. 13. - С. 2071-2091.
11. McNulty M. M. et al. Charge at the lidocaine binding site residue Phe-1759 affects permeation in human cardiac voltage-gated sodium channels // The Journal of physiology. - 2007. - Т. 581. - №. 2. - С. 741-755.
