Haloizyt jako nośnik ibuprofenu

Minerały ilaste

Minerały ilaste to naturalnie występujące materiały o strukturze porowatej. Znaczne złoża minerałów ilastych występują na całym świecie, więc ich uzyskanie nie jest drogie. Dodatkowo, minerały ilaste posiadają dużą powierzchnię zewnętrzną oraz dużą zdolność adsorpcji. Ponadto są nietoksyczne, dzięki czemu mogą być powszechnie stosowane w przemyśle farmaceutycznym np. jako substancje czynne. Stosuje się m.in. w środkach przeczyszczających, przeciwbiegunkowych i kosmetykach. Bada się także zastosowanie minerałów ilastych jako nośników leków. Leki umieszcza się dzięki wymianie jonowej do przestrzeni międzypakietowej minerałów ilastych. Zastosowanie tej techniki jest jednak ograniczone – zwykle stosuje się ją do cząsteczek jonowych takich jak witamina B1, chlorowodorek buforminy oraz ibuprofen.

Haloizyt (Al2(OH)4Si₂O₅*2H₂O)

Haloizyt to minerał zaliczany do minerałów ilastych do grupy kaolinu. Ma on niepowtarzalny pokrój rurkowy o lumenach (prześwitach) rzędu mezo (2-50 nm) lub nawet makro(> 50 nm).

Pokrój rurkowy haloizytu wynika z zawijania się jego warstw z powodu niedopasowania tetraedrycznej warstwy SiO4 oraz przyległej oktaedrycznej warstwy AlO₆ w pakiecie 1:1.

Haloizyt ma ok. 0.02-30 μm długości, średnicę zewnętrzną 30-190 nm, a wewnętrzną 10-100 nm.. Nanorurki i mezo-lub nawet makroporowatość haloizytu sprawiają, że posiada on wiele zastosowań. Stosuje się go jako reaktor procesów biomineralizacji w skali nano, adsorbent zanieczyszczeń, dodatek do nanokompozytów polimerowych oraz nośnik do kontrolowanego uwalniania środków ochronnych.

Haloizyt jako nośnik

Haloizyt posiada wysoką biokompatybilność i niską cytotoksyczność, dzięki czemu można go bezpiecznie stosować jako nośnik leków. Dzięki niewielkim kosztom uzyskiwania posiada on wysoki potencjał jako substytut dla drogiej mezoporowatej krzemionki jako nośnika leku.

Wadą haloizytu jako nośnika jest to, że grupy hydroksylowe i grupy siloksanowe na powierzchni zewnętrznej (Si-O-Si) słabo oddziałują z cząsteczkami leku z którymi wiążą się wiązaniami wodorowymi lub oddziaływaniami van der Waalsa.

Haloizyt można jednak poddawać modyfikacji z organosilanem, która poprawia właściwości haloizytu jako nośnika. Modyfikacja ta jednocześnie nie zmienia biokompatybilności haloizytu.

Ibuprofen (C₁₃H₁₈O₂, kwas 2-(4-izobutylofenylo) propionowego, IBU)

Ibuprofen jest używany na całym świecie jako bezpieczny lek przeciwzapalny i przeciwbólowy stosowany do łagodzenia objawów zapalenia, bólu i gorączki. Według systemu klasyfikacji biofarmaceutycznej jest to lek klasy II o wysokiej przepuszczalności i niskiej rozpuszczalności. Ze względu na niską rozpuszczalność (0,05 mg mL^-1 w temperaturze 25^oC w wodzie) i krótki okres półtrwania (1,8-2 h), stosowanie IBU może jednak prowadzić do niekorzystnych skutków dla przewodu pokarmowego, zaburzenia czynności nerek oraz ośrodkowego układu nerwowego.

Nośniki ibuprofenu

Nośniki, do których wprowadzany jest IBU, mogą chronić go przed degradacją, zwiększyć rozpuszczalność, prowadzić do kontrolowanego i ukierunkowane uwalniania IBU oraz mogą zwiększyć jego skuteczność i złagodzić negatywne skutki.

Prowadzono już wcześniej badania wprowadzania IBU do uporządkowanej mezoporowatej krzemionki. W prezentowanym artykule nośnikiem IBU był haloizyt.

Badano zawartość i występowanie IBU w haloizycie oraz wpływ funkcjonalizacji powierzchni haloizytu z 3-aminopropylotrietoksysilanem (APTES) na ładowanie IBU.

Przeprowadzone badania

Do zbadania modyfikacji i mechanizmów załadunku ibuprofenu wykonano szereg analiz: chemiczną analizę elementarną; badanie teksturalne adsorpcji azotu; skaningową mikroskopię elektronową (SEM), transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM); analizę termograwimetryczną (TG); różnicową kalorymetrię skaningową (DSC); dyfraktometrię rentgenowska (XRD); spektroskopię odbicia rozproszonego w podczerwieni (DRIFT) oraz jądrowy rezonans magnetyczny (NMR).

Materiały i metody

Surowe próbki haloizytu pobrano z Linfen w Prowincji Shanxi w Chinach. Próbka została oczyszczona metodą sedymentacyjną i suszona w temperaturze 120^oC. Oznaczono ją jako Hal/120. Część Hal/120 ogrzewano w temperaturze 400^oC przez 4 godziny w piecu muflowym i oznaczono ją jako Hal/400.

Następnie haloizyt został zmodyfikowany APTES. 5 ml APTES rozpuszczono w 200 ml suchego toluenu, a następnie dodano 10 g sproszkowanego haloizytu. Próbkę 30 minut traktowano ultradźwiękami, a następnie nieustannie mieszając przez 20 godzin ogrzewano w temperaturze 120^oC.. Fazę ​​stałą w otrzymanej mieszaninie oddzielono przez odwirowanie, sześciokrotnie intensywnie przemyto świeżym suchym toluenem w celu usunięcia nadmiaru organosilanu, a następnie suszono w temperaturze 120^oC.

Próbki modyfikowane APTES oznaczono odpowiednio jako Hal/120-A i Hal/400-A w zależności od próbek wyjściowych.

Kolejnym krokiem było połączenie próbek z IBU. 2 g IBU rozpuszczono w 20 ml etanolu, a następnie dodano 2 g sproszkowanego haloizytu (odpowiednio próbki zmodyfikowanej lub nie) stale mieszając przez 24 godzin w temperaturze pokojowej. Część stałą oddzielono przez odwirowanie i wysuszono w temperaturze 50^oC. Próbki z IBU nazwano przez dodanie przedrostek „IBU-” do próbek wyjściowych (np. IBU-Ha/ 120-A to haloizyt zmodyfikowany APTES z IBU)

Do badań jako odnośnika użyto fizycznej mieszaniny IBU i Hal/120, oznaczonej jako IBU-Hal/120_mix. Została ona przygotowana przez ręczne mieszanie i mielenie w moździerzu sproszkowanego IBU i Hal/120 przez 5 minut. Stosunek masy IBU/haloizyt w IBU-Hal /120_mix był taki sam jak w próbce IBU-Hal/120.

Charakterystyka strukturalna i morfologiczna haloizytu początkowego.

Na początku wykonano badanie rentgenograficzne przeprowadzone na próbce Hal/120. Pokazało ono, iż mamy do czynienia z tylko jedną fazą mineralogiczną. Refleks podstawowy o wartości 0,74 nm wskazuje na to, że w próbce znajduje się haloizyt. Porównując dyfraktogram próbki Hal/400 do Hal/120, widzimy że są one podobne, co oznacza że struktura próbki Hal/400 pozostała bez zmian po obróbce cieplnej w temperaturze 400^oC. Patrząc na dyfraktogram próbki Hal/400 widzimy refleks o wartości 0,72 nm. Obniżenie tej wartości zostało spowodowane (wydaleniem) wyparowaniem wody ze struktury haloizytu.

W wyniku przeprowadzonej analizy termicznej na próbce Hal/120 zarejestrowano krzywe TG i DSC. Na krzywej TG widoczny jest stopniowy spadek obserwowany w temperaturze 50-400^oC. Związany jest on z procesem dehydratacji i stopniową utratą wody znajdującej się między warstwami haloizytu. Kolejny silny spadek widoczny w zakresie temperatur 400-600^oC świadczy o dehydroksylacji AlOH, co jest zgodne z temperaturą dehydroksylacji haloizytu, występującą w około 450-600^oC. Natomiast na krzywej DSC obserwujemy dwa wyraźne piki endotermiczne w 80 i 521^oC, które można przypisać odpowiednio dehydratacji i dehydroksylacji (co potwierdza analizę krzywej TG).

Obrazy TEM i SEM próbki Hal/120 wyraźnie pokazują, że cząstki haloizytu mają typowy kształt cylindryczny, a przezroczysty centralny obszar świadczy o tym, że cząstka haloizytu jest wydrążona i otwarta na końcach. Obrazy TEM próbki Hal/400 (której nie pokazano), wskazują, że rurowa morfologia haloizytu została zachowana. Wcześniejsze badania autorów potwierdziły, że morfologia haloizytu pozostaje w dużej mierze niezmieniona (nienaruszona), gdy temperatura ogrzewania nie przekracza 900^oC.

Izotermy adsorpcji-desorpcji azotu z próbki Hal/120 pokazują, że struktura minerału jest porowata. Widać, że występują 3 różne rodzaje porów, skupionych na około 3,5, 11 i 22 nm. Patrząc na krzywe PSD Hal/400 można zaobserwować że są podobne do Hal/120.

Charakterystyka modyfikacji APTES i haloizytu z zaaplikowanym ibuprofenem.

Po wykonaniu analizy rentgenograficznej, analizując figurę 2a i 2b, można dostrzec, że refleks modyfikowanego haloizytu (APTES) nie różni się od haloizytu niemodyfikowanego. Świadczy to o tym, że APTES nie został wstawiony do przestrzeni międzywarstwowych. (APTES przyłączono do grup hydroksylowych znajdujących się na wewnętrznych i zewnętrznych powierzchniach, oraz krawędziach rurowego haloizytu).
Na figurach 2c-f również obserwujemy podobną sytuację- wartości d001 wskazują na to, że IBU nie zostało wstawione w przestrzenie międzywarstwowe haloizytu.
Na przedstawionej figurze widoczne są również małe refleksy świadczące o obecności IBU w haloizycie, którym odpowiadają wartości d. Wynoszą odpowiednio: 1,46, 053, 0,5 i 0,4 nm.

Dzięki badaniu przy pomocy transmisyjnego mikroskopu elektronowego zaobserwowano, że lumeny (prześwity) cząstek haloizytu zostały wypełnione przez cząstki IBU. Jak podają autorzy, kapsułowanie IBU w lumenach haloizytu jest napędzane przez siły kapilarne. Rozwiązanie z IBU-etanol (em) zostało prawdopodobnie zastosowane dzięki istnieniu ogromnych sił kapilarnych, co umożliwiło utworzenie agregatów w lumenach.
Obrazy TEM Ibu-Hal/400 (Fig.3b), Ibu-Hal/120A (Fig.3c), Ibu-Hal/400A (Fig. 3d) są podobne do zdjęcia przedstawionego na Fig. 3a (Ibu-Hal/120) i pokazują, że Ibu jest zamknięte w lumenach i i częściowo znajduje się także na zewnętrznej powierzchni. Oznacza to, że obróbka cieplna i wszczepianie Aptes-u miały niewielki wpływ na aplikację IBU. Jednak ciężko przy pomocy jedynie TEM porównać dokładną zawartość IBU w poszczególnych próbkach, ponieważ obraz pokazuje jedynie lokalizację tych frakcji.

Analiza przedstawionych krzywych DSC (pokazanych na Fig.4) pozwala zaobserwować ,że
IBU-Hal/120mix wykazuje silnie endotermiczny pik przy 77,5^oC. Temperatura ta jest charakterystyczna dla stopienia IBU( kryształu); Na Figurach b-e można również dostrzec endotermicznych pik w 74^oC. Świadczy on o stopieniu IBU znajdującego się w haloizycie.
Można więc stwierdzić, że niższa temperatura topnienia może być uzależniona od współwystępowania IBU z haloizytem. (IBU zaaplikowany w haloizycie ma mniejszą temperaturę topnienia IBU-Hal/120mix, co wskazuje na spadek krystaliczności IBU i tworzenia bezpostaciowego IBU.)

Analiza elementarna

Zawartość ibuprofenu na podstawie ilości procentowej węgla w próbce przedstawia się w następującej kolejności: IBU-Hal-400-A > IBU-Hal-120-A > IBU-Hal-400 > IBU-Hal-120. Przy czym dwie ostatnie próbki mają prawie te same zawartości ibuprofenu, więc termiczna obróbka wstępna nie miała większego wpływu na wprowadzenie leku.

Zawartość ibuprofenu w próbce IBU-Hal-120-A jest 8,5% większa niż dla IBU-Hal-120, dla IBU-Hal-400-A aż o ponad 25% niż dla IBU-Hal-400, wyniki te dowodzą, że modyfikacja 3-aminopropylotrietyloksylanem znacząco poprawiła właściwości nośnika.

Zawartość ibuprofenu w próbce IBU-Hal-400-A jest o 16,5% większa niż w próbce IBU-Hal-120-A, ta różnica może wynikać z termicznej obróbki wstępnej haloizytu. Stosunek molowy węgla do azotu jest większy dla Hal-120-A niż dla Hal-400-A, obie te wartości są większe niż teoretyczny stosunek molowy C/N hydrolizowanego APTES. Fakt ten świadczy o tym, że w obu próbkach wystąpiła niepełna hydroliza APTES oraz, że termiczna obróbka wstępna skutkuje mniejszym zasięgiem hydrolizy APTES.

NMR (Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu Jądrowego)

Na slajdzie przedstawione jest widmo ²⁹Si NMR próbki haloizytu modyfikowanej APTES. Pasmo w okolicy 91 ppm wskazuje na krzem z haloizytu, sygnały T₂ i T₃ świadczą o obecności grupy etoksylowej lub hydroksylowej.

Na widmie ¹³C NMR dla próbki Hal/120-A pasma w okolicy 43,7; 48,5; 21,3; 24,2; 30,2; 9,6 przypisane są do węgla 1, 2 i 3 wartościowego w grupach propylowych, sygnał w 17,5 ppm odpowiada za atom węgla 5-wartościowego w grupie etoksylowej.

W przypadku próbki Hal/400-A sytuacja wygląda podobnie, z tym wyjątkiem, że pasma mają mniejsze intensywności, co wskazuje na mniejszą zawartość APTES w próbce.

Na podstawie przedstawionych wyników, ogólny mechanizm wszczepiania APTES do haloizytu przedstawia się następująco:

Grupy hydroksylowe haloizytu i APTES łączą się na skutek czego powstaje tlenowiec, który łączy się wiązaniami kowalencyjnymi z minerałem, szczególnie z lumenem.

Część APTES łączy się ze sobą formując oligomery, które łączą się wiązaniami kowalencyjnymi i/lub wodorowymi z wszczepionymi już APTES, razem tworzą sieć polimerów w lumenie. Zasięg wszczepionego APTES w haloizycie jest silnie związany z zawartością wody, która kontroluje hydrolizę APTES, a więc formację sieci polimerów w lumenie.

DRIFT (Spektroskopia Odbicia Rozproszonego w Podczerwieni)

Porównując próbki Hal/120 i Hal/400 widzimy, że ich widma są podobne, różnią się tym, że Hal/400 na skutek ogrzewana ma słabsze pasma odpowiadające grupie OH.

Obecność APTES w próbkach modyfikowanych potwierdza występowanie dodatkowych pików w okolicy 2933 i 1473 cm^-1 odpowiadających za odpowiednio CH₂ i NH₂. Ponadto widmo przy 1390 wskazuje na obecność CH₃ i sugeruje to niepełną hydrolizę APTES występującą w obu próbkach.

W pozostałych próbkach piki 2956 i 2871 odpowiadają za CH₃, a 2924 i 2851 za CH₂ i świadczą one o obecności ibuprofenu w haloizycie. Sygnał przy liczbie falowej 1721 natomiast jest przypisany do grupy karbonylowej. I ostatni, pik 1558 pojawia się tylko próbkach IBU/Hal-120-A i IBU/Hal-400-A i świadczy o obecności grupy karboksylowej.

Schemat mechanizmu wszczepiania ibuprofenu do haloizytu:

W niemodyfikowanym haloizycie ibuprofen jest słabo związany wiązaniami wodorowymi z wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią haloizytu.

Powierzchnia modyfikowanego haloizytu, zwłaszcza powierzchnia lumenu jest pokryta grupami aminopropylowymi pochodzącymi z APTES. Ibuprofen jest silnie połączony z powierzchnią haloizytu na skutek elektrostatycznego przyciągania między grupami karboksylowymi ibuprofenu a grupami amonipropylowymi. Reasumując więcej ibuprofenu może być wprowadzone do modyfikowanego haloizytu.

Adsorpcja i desorpcja azotu

Ostatnim badaniem było przeprowadzenie procesu adsorpcji i desorpcji azotu. Zostało ono porównane z początkowym badaniem, o którym już wcześniej wspominałyśmy. Powtórne badanie wykazało, że zaaplikowanie ibuprofenu do próbek zmniejszyło powierzchnię właściwą minerału oraz objętość porów. Porowatość oraz powierzchnia zmniejszyła się także w przypadku próbek zmodyfikowanych APTES. Na slajdzie przedstawiona jest tabela, w której porównałam wszystkie wyniki przedstawione w artykule dotyczące powierzchni i objętości porów. Początkowa wartości dla zwykłego haloizytu różnią się nieznacznie w przypadku haloizytu ogrzewanego w 120 i 400 stopniach. Widać, że haloizyt ogrzewany w temperaturze 400 stopni ma mniejszą powierzchnię i objętość porów, niż ten ogrzewany w 120 stopniach. Ma to zapewne związek z mniejszą ilością wody w ogrzewanym dłużej minerale. Jeżeli porównamy wartości dla próbek z ibuprofenem to również widoczne są podobne zależności. Powierzchnia i objętość porów zmniejszyły się znacząco, widać więc, że doszło do wchłonięcia się ibuprofenu. Natomiast odwrotne zależności widoczne są dla związków, które zostały zmodyfikowane przez APTES. Powierzchnia i objętość porów w obu próbkach podstawowych zmniejszyła się, jednak dla próbki ogrzewanej w 400 stopniach jest wyższa. Ma to związek z tym, że w temperaturze 400 stopni proces tworzenia sieci polimerów został ograniczony przez ogrzewanie minerału. Pozwoliło to na zachowanie większej ilości powierzchni dla inuprofenu. Zależności te nie zmieniają się w przypadku próbek z zaaplikowanym ibuprofenem.

Badanie wykazało też, że 11 i 22nm mezopory w lumenach zostały całkowicie wypełnione przez ibuprofen. W przypadku próbek niemodyfikowanych część 3,5nm porów zostało wypełnione ibuprofenem, natomiast w przypadku próbek zmodyfikowanych była to większa ich część.

Wnioski

Omówione badanie dowiodło więc, że modyfikacja APTES wzmacnia wiązania między haloizytem a ibupromem, co polepsza jego przyłączanie do minerału. Słabsze wiązania między minerałem a lekiem zostają umocnione przez oddziaływanie elektrostatyczne, dzięki czemu można zaaplikować więcej ibuprofenu. Również ogrzewanie zmodyfikowanego związku w temperaturze 400 stopni pozwala na zaaplikowanie większej ilości leku do minerału. Dzięki swoim właściwościom tak zmodyfikowany haloizyt można więc najprawdopodobniej będzie wykorzystać jako nośnik innych składników np. biomolekuł czy innych leków. Być może mógłby także przenosić jony metali, co można by było wykorzystać w przemyśle powłokowym, a także w rolnictwie.

Krytyka artykułu

Nie mamy większych zastrzeżeń do artykułu, ale jeżeli chodzi o samo przedstawienie wyników, to doszłyśmy do wniosku, że bardziej korzystniejsze i logiczniejsze byłoby zestawienie badań dotyczących początkowego haloizytu wraz z informacjami na temat haloizytu modyfikowanego. Można by było wtedy w prostszy sposób porównać wyniki i znaleźć interesujące nas zależności.

Jeżeli chodzi o przedstawienie wyników badania XRD dla haloizytu modyfikowanego bardziej czytelnie byłoby, gdyby rentenogram ibuprofenu był naniesiony na wspólny wykres.

Zastanawiałyśmy się również nad sensem badania próbki „mix’, która nie wnosi za wiele do wyników badań.

W artykule brakuje też paru słów na temat bezpieczeństwa wykorzystywania APTES i Toluenu przy modyfikacji. Oba związki są toksyczne dla ludzkiego organizmu, więc dla osób, które po raz pierwszy spotykają się z tą metodą modyfikacji może być ona niezrozumiała, ponieważ dopiero po zapoznaniu się z innymi artykułami dowiadujemy się, że w takich ilościach związki te nie są szkodliwe.

W badaniu zabrakło także analizy tego, jak ibuprofen będzie uwalniał się z haloizytu w ludzkim organizmie, jednak ostatecznie znalazłyśmy także drugi artykuł, w którym autorzy przeprowadzają badania na ten temat, a ich rezultaty są pozytywne.