Școala Doctorală de Chimie Aplicată și Știința Materialelor [311659]

Universitatea Politehnica București

Școala Doctorală de Chimie Aplicată și Știința Materialelor

TEZĂ DE DOCTORAT

Coordonator științific

Prof. Dr. Ing. Daniela Berger

Autor

Marilena Petrescu (Georgescu)

București

2017

Universitatea Politehnica București

Școala Doctorală de Chimie Aplicată și Știința Materialelor

Nr. decizie ______ din __.__.2017

TEZĂ DE DOCTORAT

Compozite pe bază de silice mezoporoasă în sisteme cu eliberare controlată de substanțe biologic active

____________________________________________________________________________

[anonimizat] : Marilena Petrescu (Georgescu)

Coordonator științific : Prof. dr. ing. Daniela Berger

Mulțumiri

În primul rând doresc să mulțumesc coordonatorului meu științific, d-na Prof. dr. ing. Daniela Berger pentru oportunitatea de a face parte din colectivul său de cercetare. Totodată îi mulțumesc pentru sfaturile și răbdarea cu care m-a îndrumat în acești trei ani.

Mulțumesc d-lui Prof. dr. ing. Cristian Matei pentru sfaturile și implicarea dumnealui în atingerea tuturor obiectivelor propuse în activitatea de cercetare.

Mulțumesc membrilor comisiei:

Mulțumesc pentru colaborare colegilor:

[anonimizat] M.Ap.N.

[anonimizat].

Mulțumesc pentru suportul financiar oferit în cadrul proiectelor: POSDRU 155420 – [anonimizat] – Compozite pe bază de silice mezoporoasă în sisteme cu eliberare controlată de substanțe biologic active; Proiectul PCCA no. 131/2012 – Programul sectorial operațional dezvoltarea resurselor umane 2007-2013 al Ministerului Fondurilor Europene prin acordul financiar POSDRU 187/1.5/S/155420 – [anonimizat]. 131/2012 – Studies on mesoporous silica as carriers for ketoprofen.

Listă de abrevieri

MCM Mobil Composition of Mater

SBA Santa Barbara Amorphous

APTES 3-aminopropiltrietoxilan

MTES metiltrietoxisilan

VTES trietoxivinilsilan

MPTES 3-mercaptopropil trimetoxisilan

AlMCM aluminosilicat din clasa MCM

AlSBA aluminosilicat din clasa SBA

BuDEA butildietanolamina

Al(BuO)3 tributoxid de aluminiu

TEOS tetraetilortosilicat

SRO specii reactive de oxigen

SBET suprafața specifică calculată prin metoda BET

dBJH diametru mediu de pori calculate prin metoda BJH

XRD difracție de raze X

DSC calorimetrie diferențială de baleiaj

SEM microscopie electronică de baleiaj

TEM microscopie electronică de transmisie

u.a. unități arbitrare

u.r.f. unități relative de fluorescență

Cuprins

Memoriu justificativ. Obiectivele lucrării……………………………………………..

Studiu de literatură……………………………………………………………………………..

III. Contribuții Originale……………………………………………………………………

III.1. Transportori pe bază de silice mezoporoasă pentru antibiotice din clasa tetraciclinelor………………………………………………………………………………

III.1.1. Introducere…………………………………………………………….

III.1.2. Materiale utilizate……………………………………………………..

III.1.3. Caracterizarea transportorilor pe bază de silice mezoporoasă…….

III.1.4. Sinteza compozitelor mezostructurate………………………………..

III.1.5. [anonimizat]…………………

III.1.6. Calculul dimensiunii moleculelor de medicament……………………..

III.1.7. Concluzii parțiale………………………………………………………

III.2. Compozite pe bază de doxicilină……………………………………………….

III.2. 1. Prepararea hibrizilor pe bază de doxicilină………………………….

III.2. 2. Caracterizarea hibrizilor pe bază de doxiciclină…………………….

III.2.3. Eliberarea doxiciclinei in vitro………………………………………..

III.2.4. Concluzii parțiale……………………………………………………….

III.3. Compozite pe bază de oxitetraciclină…………………………………………..

III.3.1. Prepararea materialelor încărcate cu oxitetraciclină……………….

III.3.2. Caraterizarea materialelor……………………………………………

III.3.3. Evaluarea activității antimicroniene…………………………………

III.3.4. Studii de eliberare in vitro……………………………………………..

III.3.5. Activitatea antimicrobiană…………………………………………….

III.3. 6. Concluzii parțiale……………………………………………………..

III.4. Compozite pe bază de ketoprofen………………………………………………

III.4.1. Adsorbția ketoprofenului în mezoporii suporturilor de silice sintetizate ……………………………………………………………………………………….

III.4.2. Caracterizarea hibrizilor pe bază de ketoprofen…………………….

III.4.3. Concluzii parțiale………………………………………………………

III.6. Concluzii………………………………………………………………………….

III.7. Bibliografie……………………………………………………………………….

II. STUDIU DE LITERATURĂ

II.1. Matrici mezoporoase utilizate drept transportori în sisteme cu eliberare controlată de substanțe biologic active

În anii 1990 grupuri de cercetători aparținând unor grupuri de cercetare diferite, respectiv Kresge și colaboratorii ăi [1] de la Compania Mobil Oil și grupul Kuroda [2] de la Universitatea Waseda au descoperit, în mod independent, materialele mezoporoase de tip silice.

Pentru prima oară, cercetătorii de la Compania Mobil Oil au raportat sinteza unor site moleculare de tip silice mezoporoasă cu rețea de pori ordonată, denumite M41S, dintre care cea mai reprezentativă este MCM-41 obținută prin metoda hidrotermală, în mediu bazic și utilizând ca surfactant o sare cuaternară de amoniu, respectiv bromură de cetil trimetil amoniu (C16H33N(CH3)3-Br).[3]

Descoperirea a avut un impact deosebit în rândul cercetătorilor din lumea întreagă datorită proprietăților pe care le prezintă silicea de tip MCM-41: suprafața specifică mare, rețea ordonată de pori cu distribuție uniformă și o bună stabilitate termică, ceea ce o recomanda pentru aplicații în separări cromatografice, cataliză, adsorbție de molecule organice mari etc. [4]

Ulterior, cercetătorii din domeniul nanotehnologiilor au obținut diferite tipuri de materiale mezoporoase prin modificarea unor parametri, cum ar fi: tipul de agent de direcționare a structurii, temperatură, pH, [5] [6], raportul molar dintre reactanți, precursor de siliciu, aditivi, timp de maturare și solvent.[7]

Cele mai promițătoare aplicații sunt însă cele din domeniul biomedical unde, în 2001, silicea mezoporoasă MCM-41 a fost propusă ca transportor în sistemele cu eliberare controlată de agenți terapeutici. [8]. Utilizarea silicei mezoporoase drept transportor de medicamente se datorează proprietăților sale, cum ar fi: o rețea ordonată de pori, care permit un bun control al cineticii de eliberare, volum total mare de pori care conferă capacitate optimă de încărcare cu agent terapeutic, suprafață specifică mare care asigură o bună adsorbție a substanțelor biologic active, prezența grupărilor silanol ce pot fi implicate în reacții de funcționalizare post-sinteză care determină modificarea proprietăților suprafeței silicei și prin aceasta se poate controla desorbția substanțelor terapeutic active.[9].

De asemenea, pentru ca o silice mezoporoasă să poată fi utilizată ca transportor trebuie să interacționeze cu substanța biologic activă. Acest lucru se poate realiza prin modularea proprietăților transportorului utilizând două strategii: fie schimbarea condițiilor de sinteză, în special prin utilizarea unor agenți de direcționare diferiți (Tabelul 1) cu scopul de a obține pori de dimensiuni corespunzătoare pentru adsorbția moleculelor organice sau prin modificarea suprafeței pereților porilor prin funcționalizare, adică prin legarea de silice a unor grupări organice care permit interacțiunea medicamentului cu grupările funcționale legate de suprafața porilor.

Sinteza materialului de tip MCM-41 (Fig. a), așa cum se prezintă în Tabelul 1, are loc în mediu bazic, în prezență de bromură de cetil trimetil amoniu (CTAB), cu rol de agent de direcționare a structurii, pornind de la precursori de siliciu, în general, tetraetilortosilicat (TEOS) sau tetrametilortosilicat (TMOS). Utilizarea surfactantului (CTAB) conduce la un aranjament bidimensional hexagonal al mezoporilor. (J. C. G. G. S. Attard, C. G. Goltner, "Nature," vol. 378, pp. 366-368, 1995.)

Un alt tip important de silice mezoporoasă este MCM-48 (Fig. b), un material ce prezintă interes, ca și MCM-41, în obținerea de sisteme cu eliberare controlată de medicamente. MCM-48 are o structură cubică tridimensională, cu canale bicontinue, aparținând grupului de simetrie Ia3d, [10] care se poate utiliza în adsorbția și desorbția unor substanțe biologic active. Deși primele sinteze descrise ale acestui tip de silice mezoporoasă presupun etape complicate de reacție, recent au fost publicate noi tehnici de preparare ce utilizează surfactanți neionici de tip tribloc copolimer Pluronic F-127 în combinație cu săruri cuaternare de amoniu și au loc la temperatura camerei.

Fig. Tipuri de silice mezoporoasă: a) MCM-41, b) MCM-48, c) MCM-50 [11]

SBA-15 este un alt tip de silice mezoporoasă, cu o structură a rețelei de pori de tip 1D hexagonală, care se sintetizează, în general, în mediu acid, în prezență de agenți de direcționare a structurii neionici, precum copolimerul tribloc Pluronic P-123 (Fig. 2). Față de MCM-41, SBA-15 prezintă dimensiuni mai mari ale porilor (5-30 nm), suprafață specifică de aproximativ 1000 m2g-1, grosime a pereților porilor de 3.1- 6.4 nm. Toate aceste proprietăți îi conferă materialului SBA-15 o stabilitate termică și mecanică mai mare decât a MCM-41[12].

MCF (Mesocellular Siliceous Foams) este o silice cu pori mari, de formă sferică, interconectați prin ferestre uniforme ce creează un sistem de pori 3D continuu. Acest tip de silice se sintetizează în mediu acid, utilizând drept agent de direcționare a structurii, tribloc copolimerul Pluronic P123 și un agent de gonflare, 1,3,5 trimetilbenzen (TMB). [13]

Tabelul 1. Caracteristici ale diferitelor tipuri de silice mezoporoasă

Tabelul Formulele chimice ale celor mai uzuali agenți de direcționare a structurii

Factorii determinanți ai adsorbției moleculelor organice în mezoporii silicei, cunoscuți în literatura de specialitate sub denumirea de parametrii texturali, sunt: dimensiunile porilor, volumul total al porilor, suprafața specifică și prezența pe suprafața pereților porilor a unui număr mare de grupări silanol, -Si-OH.

Dimensiunea porilor: Cu cât molecula unui agent terapeutic este mai mare cu atât mezoporii silicei trebuie să fie suficient de mari încât să permită adsorbția acestuia. Astfel, un raport între diametrul porilor și dimensiunea moleculei de medicament mai mare decât 1 este suficient pentru a avea loc adsorbția medicamentului în mezoporii silicei. Prin adaptarea condițiilor de sinteză, respectiv prin utilizarea unor surfactanți cu lanț alchil de dimensiuni variabile, utilizarea unor agenți de direcționare a structurii de tip polimer sau solubilizarea unor aditivi în micelii se pot obține mezopori cu dimensiuni de la 1.5 nm până la câțiva zeci de nm.([17] [18] Un exemplu în acest sens îl constituie experimentul realizat de grupul de cercetători condus de M. Vallet Regie ([19] care au sintetizat două probe de MCM-41 (a) și (b) cu dimensiuni diferite ale porilor, utilizând drept surfactanți, bromură de dodecil trimetil amoniu (C12TAB) (a) și, respectiv, bromură de hexadecil trimetil amoniu (C16TAB) (b). Silicele de tip MCM-41 au fost utilizate drept transportori pentru ibuprofen și s-a studiat eliberarea acestuia in vitro în fluid biologic simulat (SBF), timp de 24 h. S-a constatat că în cazul probei (a) medicamentul s-a eliberat în proporție de 68%, iar în cazul (b) numai 55%. Teste ulterioare au demonstrat că pe măsură ce crește dimensiunea mezoporilor se mărește și proporția în care ibuprofenul se desoarbe de pe transportorul de tip MCM-41, au condus la concluzia că mărimea mezoporilor este un parametru important care influențează cinetica de eliberare a medicamentului. Această regulă nu se respectă în cazul silicelor mezoporoase cu structură hexagonală 2D sau structură cubică 3D, cum este cazul silicei de tip MCM-48. De asemenea, alți factori care indică efectul dimensiunii porilor asupra cineticii de eliberare a substanțelor biologic active sunt geometria rețelei de pori și modul în care aceștia sunt conectați, dacă matricea este degradabilă în mediu apos.

Volumul total al porilor, Vp: este factorul cheie care determină cantitatea de medicament care se depune în interiorul porilor, având valori în jur de 2 cm3g-1. Interacțiunea medicament – mezopor este un fenomen de suprafață, astfel încât intercațiunile slabe dintre moleculele de medicament care apar ca urmare a condițiilor de încărcare pot conduce la umplerea porilor. Într-o altă lucrare s-a raportat că datorită unor depuneri succesive de medicament în mezoporii unui material s-a observat o mărire a dimensiunilor acestora ca urmare a creșterii intercațiunilor intermoleculare.[20]

Suprafața specifică a transportorului: Experimental s-a demonstrat că o silice cu suprafața specifică mai mare va putea acomoda o cantitate mai mare de substanță biologic activă comparativ cu o silice cu suprafața mai mică. [9]

Prezența pe suprafața pereților porilor a unui număr mare de grupări silanol, -Si-OH: Permite funcționalizarea suprafeței cu grupări organice care să fie capabile să interacționeze cu molecule organice prin interacții electrostatice sau legături de tip van der Waals. ( [21])

Aceasta se poate realiza prin două modalități de abordare: (i) prin funcționalizare post sinteză, care constă în reacția chimică dintre silicea mezoporoasă pură cu derivați organosilanici; (ii) prin reacții de co-condensare dintre tetraetil ortosilicat și un organosilan în prezența agentului de direcționare a structurii. La alegerea metodei de funcționalizare se are în vedere păstrarea structurii ordonate a porilor, întrucât valorile principalilor parametri texturali (suprafața specifică, dimensiunea medie a porilor și volumul total al porilor) scad, iar interacțiunile care pot apare între grupele funcționale pot conduce la colmatarea porilor. Spre exemplu, s-a observat că în cazul grupărilor funcționale 3-aminopropil între acestea se stabilesc legături de hidrogen. Efectul poate fi diminuat prin spălarea cu acid clorhidric. În toate cazurile pentru a evita fenomenul de colmatare al porilor, concentrația grupărilor funcționale nu trebuie să fie mai mare de 10% (mol).

În cazul, materialelor mezoporoase sintetizate prin reacții de co-condensare se obțin în general o distribuție uniformă a grupărilor organice, dar îndepărtarea agentului de direcționare a structurii se face mai greu, prin operații de extracție, deoarece calcinarea nu este posibilă.

Tabelul .Grupările funcționale cele mai utilizate pentru funcționalizarea suprafeței porilor

De asemenea, proprietățile texturale ale materialelor mezoporoase de tip silice se pot modifica și prin introducerea unor heteroatomi cum ar fi, aluminiu, ceriu, titan, fosfor, etc.

Aluminiul: Prin introducerea aluminiului în rețeaua silicei mezoporoase se obțin aluminosilicați, care pot fi utilizați drept transportori mezoporoși. În acest caz, prin sinteza sol-gel combinată cu tratamentul hidrotermal, utilizând un amestec de tetraetil ortosilicat și un precursor de aluminiu (Al(OsecBu)3 sau Al2(SO4)3), se pot obține materiale mezoporoase, cu proprietăți texturale modificate față de cele ale silicei corespunzătoare și cu o aciditate Lewis mai mare ce pot fi transportori în sisteme cu eliberare controlată de medicamente. [22] Aluminiul conferă structurii mezoporoase comportament de acid Lewis, făcând posibilă interacțiunea cu molecule de agent terapeutic care se comportă ca baze Lewis, ceea ce conduce la adsorbția unei cantități mai mari de agent terapeutic în mezoporii aluminosilicatului și cu o cinetică de desorbție mai lentă a acestuia comparativ cu transportorii de silice. [23]

Ceriul: Spre deosebire de alți oxizi metalici, nanoparticulele de oxid de ceriu au capacitatea de a stoca oxigenul [24], datorită stării de oxidare variabile, + 3 și +4 a ionilor de ceriu care le permite să participe la reacții redox atât ca agent oxidant cât și ca agent reducător. Oxidul de ceriu conține un amestec de cationi Ce+4 și Ce+3, al căror raport variază în funcție de mărimea particulelor. Astfel, cu cât particulele de oxid de ceriu sunt mai mici, concentrația ionilor Ce+3 este mai mare și se formează mai multe vacanțe de oxigen. [25]

Capacitatea de a stoca și elibera oxigen, precum și mobilitatea oxigenului se datorează proceselor cuantice de delocalizare a electronilor din orbitalii 4f al atomului de ceriu (configurația electronică [Xe]4f15d16s2). Aceste proprietăți explică activitatea catalitică și reactivitatea nanoparticulelor de oxid de ceriu. [26] Astfel, proprietățile structurale și morfologice, cum ar fi suprafața specifică, limitarea cuantică, parametrii de structură și de simetrie se pot schimba într-un mediu oxidativ sau reductiv. De exemplu, tensiunile în structura cristalului cresc cu scăderea dimensiunii particulelor datorită creșterii raportului Ce3 +/Ce4 +.[27] Cauza aceastor tensiuni poate fi prezența grupărilor hidroxil pe suprafață,[28] iar speciile hidroxil acționează ca precursori pentru îndepărtarea oxigenului în procesele de reducere care generează ioni Ce3+.

În cazul particulelor de dimensiuni mici (~ 3 nm), pierderea unui atom de oxigen crează în rețea o vacanță de oxigen.[29] Cu cât se formează mai multe vacanțe de oxigen, cu atât reactivitatea nanoparticulelor de oxid de ceriu este mai mare. Prin urmare, în timpul sintezei este important să controlăm parametrii de sinteză astfel încât să se poate obține particule de dimensiuni dorite și cu reactivitatea necesară.[30]

Magnetita: O altă modalitate de extindere a proprietăților materialelor mezoporoase este combinarea magnetitei cu silice mezoporoasă, obținându-se astfel o matrice care are atât proprietățile silicei mezoporoase (biocompatibilitate, proprietăți texturale și mecanice) cât și proprietățile magnetice oferite de Fe3O4. Materialele compozite Fe3O4 – mSiO2 sunt utilizate ca transportori pentru sisteme cu eliberare controlată, [31] agenți de contrast în imagistică prin rezonanța magnetică [32], catalizatori heterogenic recuperabili [33] sau hipertermie localizată [33].

Magnetita, Fe3O4, este unul dintre mineralele cu cel mai puternic caracter feromagnetic din grupa oxizilor de fier, fiind oxidul de fier cel mai rezistent față de acizi și baze. Ionul de fier din mineral poate fi fier bivalent sau trivalent, de aceea magnetita este prezentată ca oxid de fier (II, III). (E.J.W. Verwey, Nature 144 (1939) 327.)

Fig. Structura de bază a magnetitei

Din punct de vedere cristalografic magnetita aparține grupei spinelului, cristalele dezvoltate normal având frecvent cristale gemene cu suprafețe octaedrice mai rar rombdodecaedrice. Magnetita cristalizează și în sistemul de cristalizare invers al spinelului, ionii de fier trivalent (Fe3+) fiind repartizați în mod uniform tetraedric cu legați de ionii de oxigen, pe când ionii de fier bivalent (Fe2+) sunt repartizați uniform în rețeaua de structură octaedrică și tetraedrică. Simetria la faza de temperatură înaltă a magnetitei a fost clarificată în anul 1915, grupa structurii spațiale fiind Fd3m. [34] La temperatura Curie ({\displaystyle T_{\rm {C}}}Tc = pragul de temperatură de la care dispar proprietățile feromagnetice) de 578 °C magnetizarea se orientează în mare parte ca magnetizarea terestră, luând astfel naștere un magnet remanent polarizat cu 500 nT (unități Tesla{\displaystyle \mathrm {1\,T=1\,{\frac {V\,s}{m^{2}}}} }), motiv pentru care cristalele de magnetită pot conserva în această formă orientarea magnetică terestră. Această proprietate a magnetitei este folosită de numeroase viețuitoare, cum ar fi: albinele, moluștele, porumbeii (cu magnetită la baza ciocului), magnetobacteriile (cu magnetită în membrana cellulară) pentru orientare după liniile terestre.

Sinteza particulelor magnetice cu dimensiuni nanometrice se poate realiza prin mai multe metode: coprecipitare și precipitare ([35] [36] [37], sol-gel ([38][39], tehnica emulsiei[40], procese mecanochimice [41], preparare hidrotermală [42] și metoda termică DC cu arc de plasmă [43]. Dintre toate metodele enumerate metoda sol-gel este cea mai frecvent utilizată întrucât oferă câteva avantaje demne de luat în seamă, cum ar fi: o bună omogenitate, costuri scăzute și puritate ridicată.

Alginat: Modificarea caracteristicilor materialelor mezoporoase utilizate ca transportori în sisteme cu eliberare controlată se poate realiza și prin acoperire cu alte substanțe obținute natural sau sintetic, mărind astfel eficiența sistemelor cu eliberare controlată, îmbunătățesc profilurile de eliberare și direcționarea agentului terapeutic către organul țintă. Alginatul este o polizaharidă extrasă din alge marine brune, specia Laminaria, utilizată frecvent ca vehicul în sisteme cu eliberare controlată de agenți terapeutici. [44]

Fig. Structura acidului alginic

Din punct de vedere structural acidul alginic este un copolimer liniar cu blocuri homopolimerici de (1-4) -legat β-D-manuronate (M) și reziduurile C-5 epimeri α-L-guluronate (G), respectiv, legate covalent în diferite secvențe sau blocuri. Monomerii pot apărea în blocuri de homopolimerici G, M sau alternativ M și G.

Alginatul are proprietatea de a forma în funcție de pH două tipuri de geluri: un gel acid și un gel ionotropic, ceea ce îi conferă abilitatea de a fi utilizat în numeroase aplicații comparativ cu alte macromolecule neutre.[45] În cazul gelurilor ionotropice s-a observat că alginatul este solubil în apă, însă în prezența ionilor de Ca2+ devine insolubil întrucât cationul bivalent formează punți între două lanțuri de polimer conducând la stabilizarea rețelei. Adăugarea în picătură a soluției de alginat peste soluție ce conține Ca2+ are ca rezultat formarea de geluri sferice. În sistemele cu eliberare controlată de agenți terapeutici sferele de alginat se micșorează la pH acid împiedicând eliberarea agentului terapeutic încorporat, permițând traversarea tractului intestinal. Pe măsură ce pH-ul crește acestea se gonflează și eliberează agentul terapeutic. Compozitele pe bază de alginat se utilizează atunci când agenții terapeutici sunt sensibili la mediu acid și trebuie protejate de sucul gastric. Pentru exemplificare, se va prezenta prepararea și caracterizarea unui material nanocompozit pe bază de montmorillonit (MMT) și alginat de sodiu în care a fost încorporat medicamentul antitumoral carboplatin (CP). Scopul acestui studiu este de a identifica o altă modalitate de administrare a carboplatinului (calea orală), care în prezent este administrat numai pe cale intravenoasă. Asfel, medicamentul este încorporat în montmorillonit și apoi combinat cu alginatul de sodiu. Prin tehnica gelifierii ionotropice se obțin sfere compozite CP-MMT-alginat care sunt analizate prin difracție de raze X, spectroscopie în infraroșu, analiză termică (ATD-TG) și microscopie electronică de baleiaj (SEM). Sferele din material compozit au fost supuse eliberării controlate, iar concentrația de medicament eliberată a fost determinată prin UV-Vis.

Lutul de montmorillonit-ul aparține grupului smectitelor, compus din foi de silice tetraedrică alternând cu foi de aluminiu octaedric în raport de 2:1. [46]. Are o suprafață specifică mare, este un bun adsorbant, are capacitate mare de a schimba cationi, adezivitate și capacitate mare de a încărca agenți terapeutici. Este utilizat atât ca ingredient farmaceutic cât și excipient sau suport activ.

Adsorbția agentului terapeutic în lutul de montmorillonit se realizează atât pe suprafață cât și în interiorul structurii prin schimb ionic prin înlocuirea moleculelor de apă. [46] Procesul de schimb ionic se poate realiza prin amestecarea ionilor de schimb cu ionii de agent terapeutic în soluție. În fluidele biologice contraionii pot lua locul agentului terapeutic din substrat și îl eliberează în corp, în timp ce aceștia sunt eliminați. Astfel, capetele încărcate pozitiv ale lutului de montmorillonit pot interacționa cu polimerul anionic de tip alginat și formează materiale cu capacitate superioară de incorporare de substanțe biologic active. Viteza de eliberare a agenților terapeutici din astfel de sisteme este mult redusă datorită capacității mărite de adsorbție a acestora.[47]

II.2. Metode de obținere, parametrii structurali și texturali ai materialelor mezoporoase

În general, sinteza materialelor mezoporoase se efectuează prin metoda sol-gel, în prezența unor agenți de direcționare a structurii, combinată cu un tratament solvotermal, care îmbunătățeste stabilitatea termică a mezofazei, deoarece este puternic influențată atât de grosimea pereților materialului mezoporos, cât și de precursorul utilizat.

Metoda sol-gel consacrată constă în reacții de hidroliză și condensare (Fig. ) ale precursorilor, care conduc la formarea unei faze noi (sol), ce condensează apoi formând un gel. [48]

Fig. Reacții de hidroliză – condensare suferite de precursorul de silice

Formarea acestui tip de aranjament al porilor se poate explica prin agregarea spontană a surfactantului în micelii, atunci când concentrația acestuia depășește concentrația critică micelară. Astfel, precursorii de silice condensează la suprafața miceliilor, unde se găsesc capetele polare al moleculelor de surfactant, formând pereții materialului anorganic împrejurul miceliilor de agent tensioactiv. Condensarea precursorilor poate avea loc simultan cu agregarea moleculelor de surfactant (autoansamblare cooperativă) sau după formarea miceliilor. Îndepărtarea surfactantului, prin calcinare sau prin alte metode, conduce la obținerea silicei de tip MCM-41 (Fig. ), material cu suprafață specifică mai mare de 700 m2/g și dimensiune de pori ce poate fi controlată prin varierea parametrilor de sinteză (1,6-10 nm).

Figura 4. Mecanismul de formare a silicei mezoporoase de tip MCM-41 în prezența agenților de direcționare a structurii: (a) autoansamblarea surfactantului, urmată de adiția precursorului anorganic; (b) autoansamblare cooperativă [49]

Condiția fundamentală pentru sinteza materialelor mezoporoase cu ajutorul agenților de direcționare a structurii se bazează pe interacția dintre surfactant și precursorul anorganic.

Se poate diferenția:

interacția de tip S+I- (S – surfactant, I – specii anorganice), care apare în cazul reacțiilor care au loc în mediu bazic, unde speciile anorganice sunt prezente ca anioni, iar surfactanții sunt specii cationice de săruri cuaternare de amoniu (Fig. 5a),

interacția de tip S+X-I+, care se întâlnește la sintezele în mediu acid, unde speciile anorganice sunt încărcate pozitiv, iar interacția cu surfactantul cu sarcină pozitivă este asigurată de introduscerea unui ion mediator, X- ( de obicei de tip halogenură) (Fig. 5b).

În cazul folosirii surfactanților anionici ca agenți de direcționare a structurii, este posibil să se lucreze în mediu bazic dacă se adaugă ioni de tip M+ pentru a asigura interacția cu speciile anorganice încărcate negativ (Fig. 5c); în schimb, în mediu acid, nu este necesară adăugarea altei specii ionice (Fig. 5d). Astfel, în cazurile prezentate în Fig a-d, interacțiile dominante sunt de natură electrostatică. Totuși, interacția dintre surfactant și speciile anorganice este posibilă și prin formarea de legături de hidrogen, atunci când se folosesc surfactanți neionici.

Fig . Interacțiile dintre speciile anorganice și capetele surfactanților la formarea silicei mezoporoase, considerând mecanismul de reacție în mediul acid, bazic sau neutru

Utilizând metoda sol-gel combinată cu tratamentul hidrotemal se pot sintetiza aluminosilicați folosind tetraetilortosilicat ca sursă de siliciu și diferiți precursori de aluminiu, cum ar fi: aluminat de sodium (NaAlO2) – P1, nitrat de aluminiu (Al(NO3)3*9H2O) – P2 și sec-butoxid de aluminiu (Al (OsecBu)3 – P3.

Caracterizarea celor trei probe prin izoterme de adsorbție/desorbție la temperatura azotului lichid au arătat că toate izotermele sunt de tipul IV specifice materialelor mezoporoase de tip MCM-41 [50] și sunt complet reversibile ceea ce arată că s-au format pori de dimensiuni uniforme, de formă tubulară, unidirecționali.

Tabelul Proprietățile texturale ale probelor de aluminosilicați sintetizate cu precursori de aluminiu diferiți

Comparând proprietățile texturale ale celor trei probe (Tabelul) se poate observa că aluminosilicatul pentru care s-a utilizat ca precursor de aluminiu sec-butoxidul de aluminiu are o suprafață specifică și volum al porilor mai mari decât aluminosilicații preparați din săruri anorganice de aluminiu.

De asemenea, investigația SEM arată că în cazul probei P3 s-au format particule sferice nanometrice care au tendința de a forma aglomerate sferice cu dimensiuni uniforme, mai mici de 100 nm. În celelalte două cazuri s-au format aglomerate sferice cu diametre de 50-100 nm și distribuție ordonată a porilor. Analiza EDX ne indică că AlMCM-41(P3) prezintă un raport molar Si/Al ~ 15, spre deosebire de P1 și P2 care au un raport molar de ~ 30, ambele probe fiind obținute în formă de hidrogen.

Analiza XRD la unghiuri mici (Fig. ) demonstrează că introducerea atomului de aluminiu în silice este responsabilă de formarea a trei picuri de difracție mai puțin intense și mai largi decât în cazul MCM-41. Astfel, în cazul P3 se poate observa un pic de difracție la 42,6 Å și două difracții mai slabe la 24,0 Å și 20,4 Å, spre deosebire de MCM-41 care prezintă difracții Bragg la 41,0 Å (un vârf puternic ascuțit) și respectiv, la 23,3, 20,3 și 15,1 Å (reflecții mai slabe), ceea ce ne arată că structura AlMCM-41 (P3) este ordonată. Probele P1 și P2 prezintă un aranjament hexagonal, însă mezofaza este mai puțin ordonată.

Fig. Analiza XRD a probelor de AlMCM-41

Toți aluminosilicații sus-menționați obținuți prin combinarea metodei sol-gel cu tratamentul solvotermal se aseamănă cu silicea de tip MCM-41, însă cel mai apropiat din punct de vedere al proprietăților texturale este AlMCM-41 preparat prin utilizarea ca sursă de aluminiu tri sec-butoxid de aluminiu. Analizele efectuate au evidențiat faptul că toate cele trei probe se pot utiliza ca transportori în sisteme cu eliberare controlată de substanțe biologic active. [22]

Prin metoda sus-menționată s-au obținut aluminosilicați mezostructurați de tip AlMCM-41 cu un raport molar Si/Al ce variază între 20 și 55, iar prin optimizarea conținutului de aditiv, N-butil dietanol amină, s-a obținut un control al dimensiunii medii a porilor și a distribuției omogene a aluminiului în rețeaua mezoporoasă.

Conform celor precizate de autorii brevetului de invenție (D. Berger și alții) acest tip de aluminosilicați se pot utiliza ca alternativă a zeoliților (cu rețea poroasă în formă de Y și dimensiuni ale porilor de 0.74 nm) în procesele catalitice de cracare, deosebindu-se de aceștia prin faptul că permit trecerea prin canale a moleculelor organice mari (componente ale fracțiilor petroliere). De asemenea, proprietățile texturale ale aluminosilicaților mezostructurați, cum ar fi: suprafață specifică mare, volum total al porilor ridicat, dimensiune a porilor ce poate fi controlată în funcție de agentul de direcționare structurii sau a unor aditivi, aciditate Lewis determinată de compensarea sarcinii electrice negative introdusă de prezența aluminiului în rețeaua silicei, îi recomandă pentru utilizarea ca adsorbanți, schimbători de ioni, suporturi catalitice în foarte multe și diverse aplicații. [51],[52], [53],[54]

În procedeul de sinteză utilizat pentru a obține aluminosilicați mezostructurați se utilizează atât agent de direcționare a structurii cât și un agent de gonflare, întrucât primul determină dimensiunea miceliilor, iar cel de-al doilea asigură controlul dimensiunii miceliilor, dar induce dezordine în structura silicei sau aluminosilicatului. O condiție de bază în alegerea agentului de gonflare este ca acesta să fie solubil în soluția surfactantului ales astfel încât să se formeze micelii bine definite care să determine o creștere a dimensiunii porilor, iar hidroliza precursorului de aluminiu să fie mai lentă în mediu bazic. [55] Cei mai utilizați agenți de gonflare sunt: 1,3,5, trimetilbenzen, NH4F [56], ciclohexan, xilen, toluen, amine cu lanț hidrocarbonat lung. [57]

S-au sintetizat probe diferite de aluminosilicați folosind: TEOS ca sursă de siliciu, Al(sec BuO)3 și sulfat de aluminiu cristalizat cu 18 molecule de apă (Al2(SO4)3*18H2O ca surse de aluminiu, N-butil dietanol amină (BuDEA), CTAB, amoniac, soluție 28%. Precursorii de siliciu și aluminiu s-au utilizat în mai multe rapoarte molare, iar durata tratamentului hidrotermal a fost variată de la 24h, la 48 h și 72 h. De asemenea, s-a optimizat cantitatea de aditiv, raportul molar optim fiind TEOS/BuDEA = 4,5-5.

Probele au fost investigate prin difracție la unghiuri mici (Tabelul ), toate prezentând structură ordonată 2D hexagonală a porilor, caracteristică silicei de tip MCM-41, indicată de cele trei reflexii Bragg (100), (110) și (200). Prin analiza cu raxe X cu dispersia energiei asociată cu investigarea la microscopul electronic de baleiaj, prin medierea compoziției din cinci zone diferite s-a determinat raportul molar Si/Al. Adăugarea aditivului, N-butil dietanol amină, s-a realizat doar în cazul aluminosilicaților fără a fi afectat aranjamentul ordonat al porilor.

Tabelul . Parametrii structurali ai probelor de aluminosilicați mezostructurați

a0 = parametru structural, t = grosimea peretelui

Prin analiza izotermelor de adsorbție-desorbție a azotului înregistrate la temperatura azotului lichid s-au determinat caracteristicilie texturale ale aluminosilicaților. Valorile suprafeței specifice s-au calculat cu modelul BET, în domeniul presiunilor relative, P/P0 = 0-0,30, iar distribuția dimensiunii porilor s-a determinat prin utilizarea modelului Barrett-Joyner-Holenda (BJH).

(Tabelul )

Se poate observa că aluminosilicații pentru care s-a utilizat ca precursor de aluminiu sulfatul de aluminiu au dimensiuni ale porilor mai mici.

O altă aplicație a metodei sol-gel constă în acoperirea nanoparticulelor de magnetitǎ cu silice mezoporoasǎ. În cazul silicei de tip SBA-16 sinteza este foarte dificilǎ din cauza mediului puternic acid, motiv pentru care s-au sintetizat compozite Fe3O4@SBA-16 cu conținut ridicat de magnetitǎ într-un mediu slab acid, care a fost ulterior comparată cu un compozit Fe3O4@MCM-41. [58]

Nanoparticulele de magnetită s-au obținut prin metoda coprecipitării din săruri ce conțin Fe2+ (FeSO4)și Fe3+ (FeCl3), în prezență de CTAB și atmosferă inertă de argon la 40°C. Amestecul de reacție a fost tratat cu soluție de amoniac în atmosferă inertă de argon și amestecat 1h la 40°C, obținându-se astfel nanoparticule de magnetită, cae sunt spălate cu apă și etanol și separate prin decantare.

Pentru a obține Fe3O4@MCM-41, nanoparticulele de magnetită au fost dispersate ultrasonic în soluție de CTAB și amoniac, la care s-a adăugat TEOS, au fost agitate mecanic la 40°C, timp de 24h. Amestecul de reacție a fost supus tratamentului hidrotermal la 150°C, 24h, apoi separarea solidului și extragerea surfactantului prin extracție cu o soluție de nitrat de amoniu și alcool etilic.

Pentru sinteza Fe3O4@SBA-16 nanoparticulele de magnetită au fost dispersate în soluție de Pluronic F127, la care s-a adăugat TEOS sub agitare magnetică. Atît înainte cât și după adăugarea TEOS-ului s-a pus HCl rezultând două probe notate cu Fe3O4@SBA-16b și Fe3O4@SBA-16a. Solul obținut a fost ținut la 40°C, timp de 24h, urmată de îmbătrânirea la 105°C, 24h. Surfactantul a fost îndepărtat prin calcinare la 550°C, 5h.

Probele sintetizate au fost analizate prin difracție de raze X, izoterme de adsorbție-desorbție la temperatura azotului lichid, 77K, SEM, analiza EDX și FT-IR

Analiza prin difracție de raze X la unghiuri mari a pus în evidență formarea magnetitei cubice cu structură inversă de spinel. Parametrul unității celulare a magnetitei calculată din toate picurile de difracție este 0.836 nm. Dimensiunea cristalitului este de 11 nm și a fost calculată cu ajutorul ecuației Scherrer`s din toate reflexiile Bragg ale magnetitei, folosind programul Rigaku PDXL. S-a observat, de asemenea, că toate cele trei probe sunt în stare amorfă, iar dimensiunile cristalitului de magnetită nu au fost alterate după acoperirea cu silice sau după calcinare. Difracția la unghiuri mici pentru Fe3O4@MCM-41 indică trei picuri de difracție la (100), (110) și (200) caracteristice reflexiilor Bragg specifice grupului spațial hexagonal P6m, care prezintă caracteristicile silicei mezoporoase de tip MCM-41. În cazul celorlate două probe, Fe3O4@SBA-16a și Fe3O4@SBA-16b, reflexia Bragg (110) demonstrează o distribuție ordonată a porilor, iar prezența picului de difracție (200) poate fi asociat grupului spațial cubic Im3m, specifice silicei de tip SBA-15. Totodată, din analiza difracției de raze X la unghiuri mari se poate observa că Fe3O4@SBA-16a are un grad de ordonare a distribuției porilor mai mare decât Fe3O4@SBA-16b. Izotermele de adsorbție-desorbție a azotului pentru toate cele trei probe sunt de tipul IV caracteristice materialelor mezoporoase. Fe3O4@SBA-16a prezintă un loop de histerezis de tipul H2, tipic materialelor cu mezopori de tip sticlă de cerneală. Fe3O4@MCM-41 are un histerezis de tip H1 specific porilor independenți cu aranjament hexagonal.(Fig)

Fig. Izotermele de adsorbție-desorbție ale azotului și distribuția dimensiunii porilor pentru Fe3O4@MCM-41 și Fe3O4@SBA-16a

Pentru Fe3O4@SBA-16a curba distribuției dimensiunii porilor a fost determinată cu ajutorul teoriei densității funcționale non-locale (NLDFT), considerând porii cilindrici/sferici, cea mai potrivită metodă pentru porii de tip sticlă de cerneală.[59], [60]

Tabelul Parametrul celulei elementare, suprafața specifică, volumul total al porilor și diametrul mediu al nanoparticuleleor de Fe3O4 și materialelor magnetită-silice

*a0 = 2d100/√3 pentru silice cu pori hexagonali; a0 = √2d110 pentru silice cu aranjament cubic al porilor

Măsurătorile magnetice pentru nanoparticulele de magnetită cât și pentru compozitele magnetită-silice arată un comportament superparamagnetic, iar curba magnetizare versus câmp aplicat (Fig ) indică păstrarea proprietăților magnetitei în cazul compozitelor.

Fig. Variația magnetizării funcție de câmpul magnetic pentru Fe3O4 NP și probele magnetită-silice la 25°C

Distribuția porilor și cristalinitatea magnetitei în cazul compozitelor pe bază de silice de tip SBA-16 depind de metoda de sinteză. Astfel, s-a observat că adăugarea HCl după precursorul de siliciu conduce la obținerea unui compozit cu o distribuție mai bună a porilor, întrucât dizolvarea magnetitei în mediu de reacție intră în competiție cu hidroliza TEOS-ului. Compozitele magnetită-silice de tip SBA-16 obținute prin metoda prezentată au proprietăți texturale, structurale și magnetice asemănătoare cu ale compozitului Fe3O4@MCM-41, ceea ce le recomnadă pentru aplicații cum ar fi: eliberare țintită de medicamente, cataliză eterogenă și depoluare.

II.3. Agenți terapeutici direcționați cu ajutorul sistemelor cu eliberare controlată de substanțe biologic active

II.3.1. Antibiotice din clasa tetraciclinelor: Doxicilina și Oxitetraciclina

Tetraciclinele au fost descoperite în anii 1940 și fac parte din clasa antibioticelor, întrucât inhibă sinteza proteinelor prin prevenirea atașării grupării aminoacil-tARN la situl acceptorului ribozomal.

Acestea sunt antibiotice bacteriostatice cu spectru larg, prezentând activitate împotriva unor coci gram pozitivi: streptococ beta-hemolitic,  stafilococus aureus, pneumococus,  enterococus, asupra unor coci gram negativi: gonococ, meningococ, (mai ales tetraciclina), împotriva unor bacili gram negativi, colii. Tetraciclinele sunt active față de rickettsii, spirochete, leptospire și în măsură mai redusă pe amoebe.

Datorită proprietăților antimicrobiale și absenței unor efecte secundare sunt folosite pe scară largă în tratarea infecțiilor umane și animale. De asemenea, sunt utilizate pentru prevenirea malariei. În unele țări, inclusiv Statele Unite ale Americii, tetraciclinele se adaugă în concentrații mici, subterapeutice, în hrana animalelor, cu rol de promotor de creștere. Deși, sunt utilizate pe scară largă, apariția rezistenței microbiene a limitat eficiența acestora. [61],[62]

Tabel Principalii membrii ai clasei tetraciclinelor [63]

În ordinea cronologică a apariției lor, tetraciclinele se pot clasifica în trei generații. Astfel, din prima generație fac parte tetraciclinele descoperite în perioada 1948-1963 și sunt produse de diferiți Streptomices. De exemplu, oxitetraciclina a fost produsă de Streptomices rimosus, iar clortetraciclina și dimetilclortetraciclina de Streptomices aureofaciens. Cele din a doua generație, corespunzătoare perioadei 1965-1972 sunt produse prin semisinteză, cum ar fi: metaciclina, doxiciclina și minociclina. Generația a treia corespunde glicilcilinelor. Tigilcilina, cunoscută și sub denumirea de GAR-936 a trecut de etapa de cercetare, faza I în octombrie 1999 și, în prezent se află în faza a II-a a cercetării clinice.

Tetraciclinele, în general, sunt instabile în prezența ionilor metalelor grele. Există o strânsă legătură între structura chimică și efectul farmacodinamic, fiind demonstrat faptul că acțiunea antibacteriană este în directă corelație cu grupările fenol-oxo a părții inferioare a celor patru cicluri. Modificarea acestor grupuri duce la dispariția efectelor. Acest fapt a fost explicat prin rolul chelator al acestor grupări, având actiune aproape exclusiv bacteriostatică acționând prin chelarea cationilor metalelor divalente, cu inhibiția ulterioară a unor sisteme enzimatice bacteriene. La nivelul ribozomilor bacterieni este inhibată selectiv legătura dintre aminoacizi și ARN având drept consecință blocarea sintezei proteice.

Tetraciclinele traversează prin difuziune membrana externă a bacililor gram negativi și sunt transportate prin membrana citoplasmatică a celulelor microbiene, acumulându-se intracelular. Mecanismul de acțiune este bacteriostatic și se datorează legării specifice de subunitățile ribozomiale 30S, cu blocarea consecutivă a legării aminoacil- ARNt de complexul ARNm – ribozomi, fiind împedicată sinteza proteinelor bacteriene. [64], [65], [66]

unde A-B-C-D = inele lineare condensate, inelele D-C-B, C-10, C-11 și C-12 = sistemul fenolic keto-enolic, inelul A, C-1, C-2 și C-3 = sistemul de tip tricarbonil keto enolic, R2’ = NH2 sau NHR unde R este aminoalchil, R4 = grupa superioară (α) dimetilamino, C-4a = (α) proton, R5 = H (tetracycline) sau OH (oxitetraciclină), C-5a = (α) proton, R6 = combinație de (β)-OH și/sau (α)-CH3 sau nesubstituit sau grupare metilen, R7 = H (tetracicline), Cl (clortetracicline) sau dialchilamoni (cazul minociclinelor) sau NO2, R8 = H, R9 = glicilamido, R12a = H

Fig. Cerințe stereochimice și de substituție pentru activitate antibacteriană optimă în cadrul seriei tetraciclinelor [62]

O aplicație a tetraciclinelor este utilizarea în tratarea bolii parodontale cauzată de asocierea bacteriilor cu placa dentară. Natura acestei boli depinde de interacțiunea dintre cantitatea de agent bacterial, mediu și răspunsul gazdei la mecanismul de autoapărare la atacul bacterial format din bacterii anaerobice gram negative. Administrarea tetraciclinelor se poate realiza, în acest caz, pe cale orală sau locală. În cazul administrării orale pe termen lung pot apărea infecții repetate sau chiar rezistență la agentul terapeutic, astfel încât administrarea locală devine soluția pentru prevenirea efectelor secundare.[67] Pentru această formă de terapie este necesar ca agentul terapeutic să fie menținut la baza buzunarului dental un timp adecvat astfel încât să se obțină efectul antimicrobial dorit. S-au studiat numeroase sisteme de eliberare locală a agentului terapeutic și s-a stabilit că pot fi de două tipuri: a) formulări cu eliberare susținută, care au o cinetică de ordinul I, viteza de eliminare este direct proporțională cu concentrația medicamentului, agentul terapeutic fiind eliberat în mai puțin de 24 h;[68] b) formulări cu eliberare controlată, care urmează o cinetică lineară (de tip zero), pentru care viteza de eliberare rămâne constantă indiferent de concentrația agentului terapeutic, acesta fiind eliberat în cantități constante în timp. Sistemele cu eliberare locală de agent terapeutic pot fi: fibre, filme, sisteme injectabile, geluri, benzi, vezicule, microparticule, nanoparticule, etc.[69]

Dintre acestea nanoparticulele prezintă câteva avantaje: dispersabilitate mare în mediu apos, controlul vitezei de eliberare și stabilitate crescută. Aceste sisteme reduc frecvența administrării și asigură distribuirea uniformă a agentului terapeutic pe o perioadă lungă de timp. Pentru astfel de sisteme au fost utilizate ca transportori nanoparticule biocompatibile pe bază de 2-hidroximetil metaacrilat (HEMA) și polietilenglicol dimetacrilat (PEGMA).

II.2.2. Antiinflamatoare: Ketoprofenul

Ketoprofenul este un medicament antiinflamator analgezic, antipiretic și nesteroidian utilizat pentru tratamentul artritei reumatoide și osteoartritei [70] [71]. Are ca efecte secundare ulcerația peptică sau sângerarea și anorexia etc. [72], Marie RG. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs: practical and theoretical considerations in their selection. Am J Med. 1996; 100:31S.

[11] Savage RL, Moller PW, Ballantyne CL, Wells JE. Variation in the risk of peptic ulcer complications with nonsteroidal antiinflammatory drug therapy. Arthritis Rheum. 1993;36:84–90] care limitează utilizarea sa. Datorită acestor dezavantaje, adăugate la timpul de înjumătățire foarte scurt, este necesară elaborarea de noi formulări farmaceutice, care să atenueze semnificativ aceste efecte sistemice. Matricea de silice simplă este hidrofobă și poate interacționa cu ketoprofenul numai prin interacțiunile van der Waals sau prin legături de hidrogen, dar funcționalitatea mezoporosică a silicei cu grupări aminopropil (APTES) determină interacțiunile acido-bazice (Fig.1) mai puternice decât cele stabilite cu dioxid de siliciu.

Fig.1. Interacțiuni între ketoprofen și matricea cu silice funcționalizată cu aminopropil

Din studiul de literatură a rezultat că a fost analizat comportamentul ketoprofenului în diferite sisteme cu eliberare controlată de agenți terapeutici.

Un prim exemplu îl constituie utilizarea ca transportor a silicei mezoporoasă de tip SBA-15, atât simplă cât și funcționalizată cu grupări 3-aminopropil. Adsorbția ketoprofenului pe matricea SBA-15 funcționalizată a fost proporțională cu cantitatea de grupări aminopropil introduse. Astfel, conținutul maxim de ketoprofen depus în mezoporii matricei de silice de tip SBA-15 funcționalizată cu 3-aminopropil a fost aproape de 20%. (de masă). Testele cu fluide corporale simulate cu pH 1,2, tampon acetic (pH 4,5) și tampon fosfat (pH 8,4) au prezentat cinetici mai lente de eliberare a ketoprofenului din proba cu silice de tip SBA-15 funcționalizat cu aminopropil decât din proba cu silice de tip SBA-15 simplă. [20]

De asemenea, ketoprofenul a fost depus în porii unor transportori mezoporoși cu miez magnetic (MCMSS) utilizând pentru sinteză cantități diferite de amoniac. Astfel, nanoparticulele de silice mezoporoasă cu miez magnetic au fost sintetizate utilizând surfactant anionic prin metoda S¹N+I¹. Într-o primă etapă miezul magnetic a fost acoperit cu strat dens de silice, iar apoi a fost construită o cochilie mezoporoasă cu ajutorul ionilor hidroxilici reziduali rămași din etapa de acoperire densă.

S-au obținut două probe, utilizând concentrații de amoniac de 0,016 și, respectiv, 0,06 g / ml, cu valori ale ariei suprafeței specifice și volumului total al porilor de 389,32 m2 g / l, 0,321 cm3 g / l și, respective, 259,62 m2 g / l, 0,216 cm3 g / l. Ketoprofenul a fost depus în concentrații de 10,99% și 32,04% (de masă) pentru MCMSS preparate la concentrații de amoniac de 0,016 și 0,06 g / ml. Testele de eliberare in vitro au demonstrat că proba MCMSS preparată cu o concentrație mai mică de amoniac prezintă o cinetică mai lentă de eliberare.[67]

Ketoprofenul a mai fost încapsulat în fibre electrofilate pe bază de polimeri biodegradabili (poli (alcool vinilic) parțial și complet hidrolizat (PVA)) obținuți prin tehnica electrospinning. Eliberarea ketoprofenului s-a realizat în soluție tampon fosfat cu pH 7,4 la temperatura corpului (37 ° C) și la temperatura camerei (20 ° C). S-a observat că PVA complet hidrolizat poate fi stabilizat împotriva dezintegrării în apă și proprietățile sale mecanice vizuale au fost îmbunătățite prin tratarea cu alcool inferior, cum ar fi metanolul. De asemenea, după tratamentul cu metanol, eliberarea de tip burst a dispărut. Rezultatele obținute din experimentele de eliberare au arătat că, după tratamentul electrofibrelor PVA cu metanol, eliberarea de tip burst a fost eliminată. În general, temperatura mediului a jucat un rol important, o temperatură mai ridicată pentru mediul de eliberare a arătat viteze mai mari de eliberare. Pentru PVA, vitezele de eliberare au variat în funcție de gradul de hidroliză al PVA. Materialele și filmele tratate cu metanol au prezentat o viteză de eliberare mai scăzută decât pentru cele netratate [68]

M. Silion și alții au raportat comportamentele in vitro și in vivo ale ketoprofenului intercalat în hidroxizi dubli stratificați (ZnAlLDH și MgAlLDH), folosind metoda schimbului ionic și confirmată prin analize XRD și FTIR. Studiul in vitro la pH 7,4 a arătat că cinetica și mecanismul de eliberare a ketoprofenului depind de debitul de eluent. Pe de o parte, viteza de eliberare este controlată prin procesul de schimb ionic între anionii de ketoprofen intercalat și ionii fosfat aparținând eluentului atunci când debitul este egal cu 0,5 ml / min. Pe de altă parte, viteza de difuzie a ketoprofenului devine comparabilă cu procesul de schimb ionic atunci când debitul atinge 1 ml / min.

Studiile in vivo privind eficacitatea analgezică a noului ketoprofen intercalat în formulările LDH au demonstrat un efect antinocieptiv ușor mai ridicat, menținut pentru perioade mai lungi de timp în comparație cu ketoprofenul simplu.

Dintre cele două formulări propuse, MgAlLDH_ ketoprofenul a prezentat un efect antinociceptiv mai puternic care a fost susținut pentru o perioadă mai lungă de timp decât ZnAlLDH_Ket [69]

II.2.3. Anticancerigene: Doxorubicina (DXR)

Doxorubicina (DXR) este unul dintre cele mai eficiente medicamente din clasa antibiotice antracicline și antitumorale utilizată de peste 50 de ani pentru tratarea unor forme de cancer, cum ar fi: cancer mamar, cancerul vezicii urinare, sarcomul Kaposi, limfomul și leucemia limfocitară acută. [70] A fost aprobată pentru uz medical în Statele Unite în 1974. Este inclusă în lista de medicamente esențiale a Organizației Mondiale a Sănătății, fiind unul dintre cele mai eficiente și mai sigure medicamente necesare într-un sistem de sănătate.

Din punct de vedere chimic este o versiune 14-hidroxilată a daunorubicinei, precursor imediat al DXR în biosinteza acesteia. O singură specie de bacterie cunoscută sub numele de Streptomyces peucetius este capabilă să producă doxorubicină. Această tulpină a fost creată de grupul de cercetători Arcamone și alții în 1969 prin mutarea unei tulpini care produce daunorubicină, dar nu DXR, cel puțin în cantități detectabile.[22] Subsequently, Hutchinson's group showed that under special environmental conditions, or by the introduction of genetic modifications , other strains of Streptomyces can produce doxorubicin. [70] Ulterior, grupul Hutchinson a arătat că, în condiții speciale de mediu sau prin introducerea de modificări genetice, alte tulpini de Streptomyces pot produce doxorubicină.[23] His group has also cloned many of the genes required for DXR production, although not all of them have been fully characterized.[Grimm A, Madduri K, Ali A, Hutchinson CR (1994)."Characterization of the Streptomyces peucetius ATCC 29050 genes encoding doxorubicin polyketide synthase". Caracterizarea genelor Streptomyces peucetius ATCC 29050 care codifică doxorubicin polietid sintaza.Gene . Gene.151 (1–2): 1–10. 151 (1-2): 1-10] Grupul său a clonat, de asemenea, multe dintre genele necesare pentru producția DXR, deși nu toate au fost pe deplin caracterizate.In 1996, Strohl's group discovered, isolated and characterized dox A, the gene encoding the enzyme that converts daunorubicin into DXR. În 1996, grupul Strohl a descoperit, a izolat și a caracterizat doxina A, gena care codifică enzima care transformă daunorubicina în DXR.[24] By 1999, they produced recombinant dox A, a cytochrome P450 oxidase , and found that it catalyzes multiple steps in DXR biosynthesis , including steps leading to daunorubicin. [Dickens ML, Strohl WR (1996). "Izolarea și caracterizarea unei gene din Streptomyces sp., Tulpina C5 care conferă capacitatea de a transforma daunomicina în doxorubicină pe Streptomyces lividans TK24" . "Isolation and characterization of a gene from Streptomyces sp. strain C5 that confers the ability to convert daunomycin to doxorubicin on Streptomyces lividans TK24", J. Bacteriol . J. Bacteriol . 178 (11): 3389-95. 178 (11): 3389–95.] Până în 1999, aceștia au produs doxina A recombinantă, o oxidază citocrom P450 și a constatat că aceasta catalizează mai multe etape în biosinteza DXR, incluzând etapele care conduc la daunorubicină.[25] This was significant because it became clear that all daunorubicin-producing strains have the necessary genes to produce DXR, the much more therapeutically important of the two.[Walczak RJ, Dickens ML, Priestley ND, Strohl WR (1999). "Purificarea, proprietățile și caracterizarea tulpinii Streptomyces spp. C5 DoxA recombinant, un citocrom P-450 care catalizează etapele multiple în biosinteza doxorubicinei" . "Purification, properties, and characterization of recombinant Streptomyces sp. strain C5 DoxA, a cytochrome P-450 catalyzing multiple steps in doxorubicin biosynthesis".J. Bacteriol . J. Bacteriol. 181 (1): 298-304. 181 (1): 298–304] Acest lucru a fost semnificativ, întrucât a condus la concluzia că toate tulpinile producătoare de daunorubicină au genele necesare pentru a produce DXR. Există o formă de doxorubicină liposomată pegilată (acoperită cu polietilenglicol), vândută ca Doxil, care este utilizată pentru a trata sarcomul Kaposi, un cancer legat de SIDA, care cauzează leziuni ale mucoasei gurii, nasului și gâtului sau în alte organe. Acoperirea cu polietilen glicol (PEG) are ca rezultat concentrația preferențială de doxorubicină în piele. Cu toate acestea, acest lucru are ca rezultat și un efect secundar numit eritrodisestezie plantară palmară (PPE), mai cunoscută sub denumirea de sindrom mână-picior.

Doxorubicină lipozomată fără PEG-ilare, numit Myocet, este aprobată în Europa și Canada pentru tratamentul cancerului de sân metastatic în asociere cu ciclofosfamida, dar nu a fost aprobat de FDA pentru utilizare în Statele Unite.Unlike Doxil, the Myocet liposome does not have a polyethylene glycol coating, and therefore does not result in the same rate of hand-foot syndrome. Spre deosebire de Doxil, lipozomul Myocet nu are acoperire cu polietilenglicol și, prin urmare, nu are ca rezultat sindromul mână-picior. The minimization of this side effect may allow for one-for-one (1:1) substitution with doxorubicin in the same treatment regimen, thereby improving safety with no loss of efficacy. Minimizarea acestui efect secundar poate permite înlocuirea DXR în raport 1:1 în același regim de tratament, îmbunătățind astfel siguranța fără pierderea eficacității. În mod teoretic, prin limitarea cardiotoxicității DXR prin încapsulare lipozomală, aceasta poate fi utilizată în siguranță în combinație concomitentă cu alte medicamente cardiotoxice de chimioterapie, cum ar fi Trastuzumab. Cel mai periculos efect secundar al DXR rămâne cardiomiopatia dilatativă, care conduce la insuficiență cardiacă congestivă. O altă complicație comună și potențial fatală a DXR este tiflita, o infecție acută care pune viața în pericol a intestinului. [Kaczmarek A, Brinkman BM, Heyndrickx L, Vandenabeele P, Krysko DV J (2012). "Severitatea mucozitei intestinale mici induse de doxorubicină este reglementată de căile TLR-2 și TLR-9." "Severity of doxorubicin-induced small intestinal mucositis is regulated by the TLR-2 and TLR-9 pathways.". J Pathol . J Pathol . 226 (4): 598-608. 226 (4): 598–608.] În plus, unii pacienți pot dezvoltă erupții cutanate pe palmele mâinii sau tălpilor picioarelor, umflături, dureri și eritem. [DOXIL Product Information Archived September 21, 2007, at the Wayback Machine .." Ortho Biotech Products, LP Retrieved on April 19, 2007.]

Datorită acestor efecte secundare și culorii sale roșii, doxorubicina a câștigat porecla "diavolul roșu" [Bloch, Richard; Bloch, Annette. Bloch, Annette. "Cele mai multe întrebări" . "25 Most Asked Questions" . Lupta împotriva cancerului . Fighting Cancer . RA Bloch Cancer Foundation. RA Bloch Cancer Foundation. Arhivat din original pe 26 iunie 2007 . Archived from the original on June 26, 2007 . Recuperat 2007-06-28 . Retrieved 2007-06-28] sau "moartea roșie". [Groopman, Jerome E. (2007). Cum gândesc medicii . How Doctors Think . Boston: Houghton Mifflin. Boston: Houghton Mifflin. p. p. 49. ISBN 0-618-61003-0 . 49. ISBN 0-618-61003-0]

Fig. Structura chimică a DXR

DXR interacționează cu ADN-ul prin intercalare și inhibarea biosintezei macromoleculare. [Tacar, O; Sriamornsak, P; Sriamornsak, P; Dass, CR (februarie 2013). Dass, CR (February 2013). "Doxorubicina: o actualizare a acțiunii moleculare anticanceroase, a toxicității și a sistemelor noi de eliberare a medicamentelor". "Doxorubicin: an update on anticancer molecular action, toxicity and novel drug delivery systems.". Jurnalul de Farmacie și Farmacologie . The Journal of Pharmacy and Pharmacology . 65 (2): 157-70. 65 (2): 157–70] [Fornari FA, Randolph JK, Yalowich JC, Ritke MK, Gewirtz DA (April 1994). "Interferența doxorubicinei cu ADN-ul se desface în celulele tumorale mamare MCF-7". "Interference by doxorubicin with DNA unwinding in MCF-7 breast tumor cells". Mol Pharmacol . Mol Pharmacol . 45 (4): 649-56. 45 (4): 649–56. PMID 8183243 . PMID 8183243] [Momparler RL, Karon M, Siegel SE, Avila F (August 1976). "Efectul adriamicinei asupra ADN-ului, ARN-ului și sintezei proteinelor în sistemele fără celule și celulele intacte" . "Effect of adriamycin on DNA, RNA, and protein synthesis in cell-free systems and intact cells" . Cancer Res . Cancer Res . 36 (8): 2891-5. 36 (8): 2891–5.] Aceasta inhibă progresia topoizomerazei II, o enzimă care relaxează torsiunea elicei în ADN pentru transcriere. [Pommier, Y; Leo, E; Leo, E; Zhang, H; Zhang, H; Marchand, C (mai 2010). Marchand, C (May 2010). "Topoizomerazele ADN-ului și otrăvirea lor cu medicamente anticanceroase și antibacteriene". "DNA topoisomerases and their poisoning by anticancer and antibacterial drugs.". Chimie și biologie . Chemistry & Biology . 17 (5): 421-33. 17 (5): 421–33.] DXR stabilizează complexul topoizomerazei II după ce a rupt lanțul ADN pentru replicare, împiedicând dubla elice ADN să fie restabilită și, prin urmare, oprind procesul de replicare. [Tacar, O; Sriamornsak, P; Sriamornsak, P; Dass, CR (februarie 2013). Dass, CR (February 2013). "Doxorubicina: o actualizare a acțiunii moleculare anticanceroase, a toxicității și a sistemelor noi de eliberare a medicamentelor". "Doxorubicin: an update on anticancer molecular action, toxicity and novel drug delivery systems.". Jurnalul de Farmacie și Farmacologie . The Journal of Pharmacy and Pharmacology . 65 (2): 157-70. 65 (2): 157–70] De asemenea, poate crește producția de radicali liberi de tip chinone, contribuind astfel la citotoxicitatea sa. [Rossi, S, ed. (2013). (2013). Australian Medicines Handbook (2013 ed.). Australian Medicines Handbook (2013 ed.). Adelaide: Trustul unității de medicamente australian. Adelaide: The Australian Medicines Handbook Unit Trust. ISBN 978-0-9805790-9-3 . ISBN 978-0-9805790-9-3 .]

Prin intercalare, DXR poate induce evacuarea histonei din cromatina activă transcripțional. [Pang B, Qiao X, Janssen L, Velds A, Groothuis T, Kerkhoven R, Nieuwland M, Ovaa H, Rottenberg S, van Tellingen O, Janssen J, Huijgens P, Zwart W, Neefjes J (2013). "Evacuarea histonei indusă de medicamente din cromatină deschisă contribuie la efectele chemoterapeutice ale doxorubicinei" . "Drug-induced histone eviction from open chromatin contributes to the chemotherapeutic effects of doxorubicin" . Comunicații de natură . Nature Communications . 4 (5): 1908. PMC 3674280 4 (5): 1908.] [Pang B, de Jong J, Qiao X, Wessels LF, Neefjes J (2015). "Profilul chimic al genomului cu medicamente anti-cancer definește specificul țintă" . "Chemical profiling of the genome with anti-cancer drugs defines target specificities" . Nature Chemical Biology . Nature Chemical Biology . 11 (7): 472-80. 11 (7): 472–80.] Ca urmare, răspunsul la deteriorarea ADN-ului, epigenomul și transcriptomul sunt dereglate în celulele expuse doxorubicinei.

Fig. Două molecule de doxorubicină intercalate în elicea ADN-ului

Pentru a rezolva efectele secundare care apar la tratamentul cu DXR datorate, în principal, interacțiunii atât cu celulele sănătoase cât și cu cele canceroase grupuri de cercetători au studiat posibilitatea încapsulării DXR în sisteme cu eliberare controlată, capabile să transporte selectiv agentul terapeutic în celule, folosindu-se de caracteristicile fiziopatologice ale tumorilor. Nanoparticulele utilizate în sistemele cu eliberare controlată pot fi: polimeri (nanoparticule polimerice, micelii sau dendrimeri), lipide (lipozomi), viruși (nanoparticule virale) și chiar compuși organometalici (nanotuburi).

Structura și caracteristicile acestor nanoparticule utilizate ca transportori în sisteme cu eliberare controlată de DXR și alte medicamente din clasa antitumorale sunt prezentate în Tabelul .

Tabelul . Tipuri de nanotransportori utilizate în sisteme cu eliberare controlată de agenți terapeutici antitumorali

Mecanismul de acțiune: Pentru ca un medicament anticancerigen să fie eficient în tratarea cancerului, în primul rând trebuie să poată străbată barierele celulare, să treacă în circulația sângelui cu pierderi minime de volum și activitate biologică în drumul spre tumoră, iar în al doilea rând după ce a pătruns în organul bolnav să fie capabil să omoare numai celulele bolnave, nu și pe cele sănătoase printr-un mecanism de eliberare controlată a substanței biologic activă. Acest lucru contribuie la creșterea speranței de viață a pacienților și limitarea efectelor secundare, în special a toxicității.

Un sistem cu eliberare controlată de agent terapeutic antitumoral este eficient dacă rămâne în sânge o perioadă de timp suficient de mare fără să elibereze o cantitate semnificativă de medicament pentru a-l putea transporta la organul bolnav. Nanoparticulele simple a căror suprafață nu este modificată sunt prinse de macrofage la nivelul splinei și a ficatului în sistemul reticuloendotelial, împiedicându-le astfel să ajungă la tumoră. Caracteristicile acestora pot fi îmbunătățite prin modificarea dimensiunilor și suprafeței specifice ale nanoparticulelor. Din studiul bibliografic s-a constat că dimensiunea acestora, în acest caz, ar trebuie să nu depășească 100 nm. În ceea ce privește suprafața specifică ar trebui să fie hidrofilă pentru a putea scăpa de capturarea lor de către macrofage, lucru care se poate realiza în două moduri: fie prin acoperirea cu un polimer hidrofil, cum este PEG-ul, care le protejează prin respingerea proteinelor plasmatice, fie prin utilizarea de nanoparticulele formate din blocuri de copolimeri cu grupări atât hidrofile cât și hidrofobe. [Adams ML, Lavasanifar A, Kwon GS. Amphiphilic block copolymers for drug delivery. J Pharm Sci 2003;92:1343-55.][ Harris JM, Martin NE, Modi M. Pegylation: a novel process for modifying pharmacokinetics. Clin Pharmacokinet 2001;40:539-51.]

Pentru direcționarea selectivă a sistemelor cu eliberare controlată către organul afectat de tumoră se pot utiliza o varietate mare de liganzi de direcționare. Un astfel de exemplu identificat prin studiul literaturii de specialitate este receptorul folat (FR)-α – un glicozil fosfatidilinozitol ancorat de o membrană proteică, selectiv în proporție mai mare de 90% în cancerele ovariene [1.Weitman SD, Lark RH, Coney LR, et al. Distribution of the folate receptor GP38 in normal and malignant cell lines and tissue. Cancer Res 1992;52:3396-401.

2.Wu M, GunningW, Ratnam M. Expression of folate receptor type a in relation to cell type, malignancy, and differentiation in ovary, uterus, and cervix. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 1999;8:775- 82.

3. Elnakat H, RantnamM. Distribution, functionality and gene regulation of folate receptor isoforms: implications in targeted therapy. Adv Drug Deliv Rev 2004; 56:1067-84.] și foarte mare măsură în alte cancere epiteliale, fiind distribuit în cantitate mică în organele normale. [2.Wu M, GunningW, Ratnam M. Expression of folate receptor type a in relation to cell type, malignancy, and differentiation in ovary, uterus, and cervix. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 1999;8:775^ 82., ][ 4. Shen F, RossJF,Wang X, RatnamM. Identification of a novel folate receptor, a truncated receptor, and receptor type h in hematopoietic cells: DNA cloning, expression, immunoreactivity, and tissue specificity. Biochemistry 1994;33:1209^15.

5. Ross JF,Wang H, Behm FG, et al. M. Folate receptor type h is a neutrophilic lineage marker and is differentially expressed in myeloid leukemia. Cancer 1999;85: 348^57.

6.WangH, RossJF, RatnamM. Structure and regulation of a polymorphic gene encoding folate receptor type γ/γ’. Nucleic Acids Res 1998;26:2132^ 42.] Acesta poate acționa ca receptor specific pentru tumoră. Acidul folic, un ligand cu afinitate mare pentru FR, își păstrează proprietățile de legare la receptor și endocitoză, chiar dacă aceasta este legată covalent de o mare varietate de molecule. Prin urmare, lipozomii conjugați cu ligandul folat prin intermediul unui polietilenglicol (PEG) au fost utilizați pentru a elibera chimioterapeutici agenți, oligonucleotide și markeri pentru tumorile care poartă FR celule (7-16). Eficacitatea de țintire a veziculelor legate de folat a fost afectată de cantitatea de lipid folic-PEG. A fost raportat că o fracție molară mai mare de lipid folic-PEG în legătura cu acidul folic lipozomii au redus absorbția lipozomilor în celule (17). folat

moleculele pot forma dimeri, trimerii și chiar auto-asamblarea cvartete cvartal la concentrații mai mari (18). Deoarece FR poate lega doar o molecula de acid folic (19), astfel de auto-asamblate multimerii de acid folic sunt incapabili de legare la FR. Lipozomii PEG-ilați, numiți lipozomi stabilizați steric, evită absorbția sistemului reticuloendotelial și arăta creșterea acumulării în tumori, ca urmare a îmbunătățirii permeabilității și efectului de retenție. Lipozomii au fost modificați cu acid folic pentru a crește în continuare orientarea către FR și absorbția medicamnetului de către tumori. Cu toate acestea, atunci când sunt utilizate grupuri de direcționare, timpul de circulație este adesea redus in vivo din cauza recunoașterii de către sistemul reticuloendotelial (9). Ca rezultat, avantajul creșterii retenției medicamentului pe suprafața tumorii prin PEG-ilare este ascunsă de clearance-ul accelerat al formulărilor legate de folat. În plus, împiedicarea sterică prin PEG-ilare reduce asocierea ligandului legat de lipozom cu receptorul său (8). Prin urmare, densitatea și lungimea lanțului PEG legat de ligandul de direcționare și PEG-ilarea lipozomilor sunt cunoscute a fi caracteristici importante pentru interacțiunea ligand-receptor. Am presupus că direcționarea activă prin modificarea folatului ar putea fi realizată pe baza succesului obținut prin direcționarea pasivă a medicamentului de către purtători prin PEG-ilare. Pentru a optimiza prezentarea folatului, se prezintă lipozomii legați de folat utilizați în acest studiu în figura 1. Am preparat trei tipuri de lipozomi legați de folat: folat legat de NL și SL și mascată cu acid folic legat de ML. Pentru lipozomii legați la folați, am folosit diferite concentrațiile și lungimi ale spacer-ului PEG în lanțul F-PEG-DSPE pentru a obține legarea cu afinitate mare. În consecință, formulările lipozomiale au fost caracterizate prin eficacitatea lor privind eliberarea in vitro de medicamenteși pentru farmacocinetica lor in vivo și terapia tumoralăeficacitate. Formularea optimă a lipozomilor legați de folat a fost realizată prin optimizarea densității ligandului folic și a lungimii spacer-ului PEG pe suprafața lipozomilor.

Prepararea doxorubicinei lipozomate legate de folat. Pentru eficiența livrării de medicamnete la locul țintă, medicamentele trebuie să fie stabil legate de lipozomi. În acest studiu, secvența proceselor de

modificare a folatului pe lipozom și incărcarea cu doxorubicină încărcarea a fost examinată pentru a încapsula eficient doxorubicina în lipozomi. Am folosit trei tipuri de proceduri: (A), (a) modificarea folatului pe lipozomi, (b) gradientul pH-ului prin schimbarea în afara pH-ului și (c) încărcarea cu doxorubicină; (B), (a) gradient de pH prin modificarea pH-ului exterior, (b) încărcarea doxorubicinei și (c) modificarea folatului pe lipozomi; (C), (a) gradient de pH prin schimbarea pH-ului exterior, (b) modificarea folatului lipozomi și (c) încărcarea doxorubicinei. Lipozomii preparați utilizând procedurile (A) până la (C) au prezentat 95%, 15,6% și 7,3% din eficiența de încărcare a doxorubicinei.

Această constatare a sugerat că modificarea folatului pe lipozomi a afectat membrana lipozomală, ceea ce a dus la o scădere a limfocitelor pH gradient și apoi o scădere a încărcării cu doxorubicină. Încărcarea doxorubicinei după modificarea folatului a dat o eficiență ridicată deîncărcare de> 95% la un medicament-total raportul lipidic de 1: 5 (greut / greut), corespunzând raportului anterior (26). Apoi, am folosit procedura (A) pentru doxorubicina înscenare. În toate cazurile, diametrul mediu al particulelor fiecăruia lipozomul a fost de 100 nm cu o monodispersă îngustă distribuție și potențial de -9 la -14 mV.

Efectul F-PEG-DSPE în doxorubicina lipozomală legată de folat pe absorbția celulară și eliberarea medicamentului. Mai întâi de toate, timpul dependența cantității de lipozomi legați de folat asociat

cu celule a fost evaluată prin fluorescență de doxorubicină în celule (figura suplimentară S1). Analiza citometriei în flux a arătat o schimbare în curbă, indicând o creștere clară în asocierea celulară a lipozomilor legați de folat după incubare. Până la a doua oră de incubare, asociația celulară a folat în F5-NL a crescut cu creșterea cantității de folat mai mult decât NL. Cantitatea asociată de doxorubicină în F5-NL a ajuns la un platou după 2 până la 3 ore. Deoarece folate-legate lipozomii se asociază rapid cu celulele KB supraexprimate sa clarificat faptul că saturația tipică a fost atinsă în cadrul a doua oră de incubare (27). Ulterior, incubarea pentru 1 h a fost utilizată în următoarele experimente.

Bibliografie

[1] C. T. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, J. C. Vartuli, and J. S. Beck, ‘Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism’, Nature, vol. 359, no. 6397, pp. 710–712, 1992.

[2] S. Inagaki, Y. Fukushima, and K. Kuroda, ‘Synthesis of highly ordered mesoporous materials from a layered polysilicate’, J. Chem. Soc.{,} Chem. Commun., no. 8, pp. 680–682, 1993.

[3] C. Y. Lai, B. G. Trewyn, D. M. Jeftinija, K. Jeftinija, S. Xu, S. Jeftinija, and V. S. Y. Lin, ‘A mesoporous silica nanosphere-based carrier system with chemically removable CdS nanoparticle caps for stimuli-responsive controlled release of neurotransmitters and drug molecules’, J. Am. Chem. Soc., vol. 125, no. 15, pp. 4451–4459, 2003.

[4] M. Kato, T. Shigeno, T. Kimura, and K. Kuroda, ‘Synthesis of thermally stable and 2-D hexagonal super-microporous silica from hydrated ??-sodium disilicate’, Chem. Mater., vol. 17, no. 25, pp. 6416–6421, 2005.

[5] F. Hoffmann, M. Cornelius, J. Morell, and M. Fröba, ‘Silica-Based Mesoporous Organic–Inorganic Hybrid Materials’, Angew. Chemie Int. Ed., vol. 45, no. 20, pp. 3216–3251, 2006.

[6] Y. Wan and D. Zhao, ‘On the controllable soft-templating approach to mesoporous silicates’, Chem. Rev., vol. 107, no. 7, pp. 2821–2860, 2007.

[7] A. Kierys, W. Buda, and J. Goworek, ‘The porosity and morphology of mesoporous silica agglomerates’, J. Porous Mater., vol. 17, no. 6, pp. 669–676, Dec. 2010.

[8] M. Vallet-Regi, A. Rámila, R. P. Del Real, and J. Pérez-Pariente, ‘A new property of MCM-41: Drug delivery system’, Chem. Mater., vol. 13, no. 2, pp. 308–311, 2001.

[9] M. Vallet-Regí, F. Balas, and D. Arcos, ‘Mesoporous materials for drug delivery’, Angewandte Chemie – International Edition, vol. 46, no. 40. pp. 7548–7558, 2007.

[10] K. Schumacher, P. I. Ravikovitch, A. Du Chesne, A. V Neimark, and K. K. Unger, ‘Characterization of MCM-48 Materials’, Langmuir, vol. 16, no. 10, pp. 4648–4654, 2000.

[11] L. T. Gibson, ‘Mesosilica materials and organic pollutant adsorption: part A removal from air’, Chem. Soc. Rev., vol. 43, no. 15, pp. 5163–5172, 2014.

[12] K. Cassiers, T. Linssen, M. Mathieu, M. Benjelloun, K. Schrijnemakers, P. Van Der Voort, P. Cool, and E. F. Vansant, ‘A detailed study of thermal, hydrothermal, and mechanical stabilities of a wide range of surfactant assembled mesoporous silicas’, Chem. Mater., vol. 14, no. 5, pp. 2317–2324, 2002.

[13] P. Schmidt-winkel, W. W. Lukens, D. Zhao, P. Yang, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, V. Uni, and S. Barbara, ‘Mesocellular Siliceous Foams with Uniformly Sized Cells and Windows and Department of Chemical Engineering Recei V ed September 9 , 1998 Molecular sieves with uniform large pores are desirable for chemical reactions and for use in separations involving la’, J. Am. Chem. Soc, vol. 121, no. 9, pp. 254–255, 1999.

[14] F. S. A. Monnier Q. Huo, D. Kumar, D. Margolese, R. S., G. S. Maxwell M. Krishnamurty, P. Petroff, A. Firouzi, M., and B. C. Janicke, ‘Science’, vol. 261, pp. 1299 – 1303, 1993.

[15] P. T. Tanev and T. J. Pinnavaia, ‘A Neutral Templating Route to Mesoporous Molecular Sieves’, Science (80-. )., vol. 267, no. 5199, pp. 865–867, 1995.

[16] P. Schmidt-winkel, W. W. Lukens, D. Zhao, P. Yang, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, V. Uni, and S. Barbara, ‘Mesocellular Siliceous Foams with Uniformly Sized Cells and Windows and Department of Chemical Engineering Recei V ed September 9 , 1998 Molecular sieves with uniform large pores are desirable for chemical reactions and for use in separations involving la’, J. Am. Chem. Soc, 1999.

[17] J. S. Beck, J. C. Vartuli, W. J. Roth, M. E. Leonowicz, C. T. Kresge, K. D. Schmitt, C. T. W. Chu, D. H. Olson, E. W. Sheppard, S. B. McCullen, J. B. Higgins, and J. L. Schlenker, ‘A New Family of Mesoporous Molecular Sieves Prepared with Liquid Crystal Templates’, J. Am. Chem. Soc., vol. 114, no. 27, pp. 10834–10843, 1992.

[18] J. Fan, C. Yu, F. Gao, J. Lei, B. Tian, L. Wang, Q. Luo, and B. Tu, ‘Zuschriften’, Angew. Chemie, vol. 115, no. 27, pp. 3254–3258, 2003.

[19] R. P. Real, J. Pariente, M. Vallet-Regí, A. Rámila, and A. del Pérez, ‘A new property of MCM- Drug delivery system.’, Chem Mater, vol. 13, p. 308, 2001.

[20] C. T.-P. T. Azais F. Aussenac, N. Baccile, C. Coelho, and F. B. J.-M. Devoisselle, ‘Chem. Mater’, vol. 18, pp. 6382–6390, 2006.

[21] M. Colilla, B. González, and M. Vallet-Regí, ‘Mesoporous silicananoparticles for the design of smart delivery nanodevices’, Biomater. Sci., vol. 1, no. 2, pp. 114–134, 2013.

[22] L. Bajenaru, S. Nastase, C. Matei, and D. Berger, ‘Studies on the Synthesis of Mesoporous Aluminosilicates As Carries for Drug Delivery Systems’, U.P.B. Sci. Bull, vol. 73, pp. 1–6, 2011.

[23] S. Nastase, L. Bajenaru, C. Matei, R. A. Mitran, and D. Berger, ‘Ordered mesoporous silica and aluminosilicate-type matrix for amikacin delivery systems’, Microporous Mesoporous Mater., vol. 182, no. 0, pp. 32–39, 2013.

[24] D. Andreescu, G. Bulbul, R. E. Ozel, A. Hayat, N. Sardesai, and S. Andreescu, ‘Applications and implications of nanoceria reactivity: measurement tools and environmental impact’, Environ. Sci. Nano, vol. 1, no. 5, pp. 445–458, 2014.

[25] C. Loschen, A. Migani, S. T. Bromley, F. Illas, and K. M. Neyman, ‘Density functional studies of model cerium oxide nanoparticles’, Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 10, no. 37, p. 5730, 2008.

[26] Z. Yang, T. K. Woo, M. Baudin, and K. Hermansson, ‘Atomic and electronic structure of unreduced and reduced CeO2 surfaces: A first-principles study’, J. Chem. Phys., vol. 120, no. 16, pp. 7741–7749, 2004.

[27] S. Deshpande, S. Patil, S. V. N. T. Kuchibhatla, and S. Seal, ‘Size dependency variation in lattice parameter and valency states in nanocrystalline cerium oxide’, Appl. Phys. Lett., vol. 87, no. 13, p. 133113, 2005.

[28] H. Zou, Y. S. Lin, N. Rane, and T. He, ‘Synthesis and Characterization of Nanosized Ceria Powders and High-Concentration Ceria Sols’, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 43, no. 12, pp. 3019–3025, 2004.

[29] X. Liu, K. Zhou, L. Wang, B. Wang, and Y. Li, ‘Oxygen vacancy clusters promoting reducibility and activity of ceria nanorods’, J. Am. Chem. Soc., 2009.

[30] Q. Yuan, H.-H. Duan, L.-L. Li, L.-D. Sun, Y.-W. Zhang, and C.-H. Yan, ‘Controlled synthesis and assembly of ceria-based nanomaterials’, J. Colloid Interface Sci., vol. 335, no. 2, pp. 151–167, 2009.

[31] M. Arruebo, R. Fernandez-Pacheco, M. R. Ibarra, and J. Sandamaria, ‘Magnetic Nanoparticles for Drug Delivery’, Nanotoday, vol. 2, no. 3, pp. 22–32, 2007.

[32] J. Kim, H. S. Kim, N. Lee, T. Kim, H. Kim, T. Yu, I. C. Song, W. K. Moon, and T. Hyeon, ‘Multifunctional uniform nanoparticles composed of a magnetite nanocrystal core and a mesoporous silica shell for magnetic resonance and fluorescence imaging and for drug delivery’, Angew. Chemie – Int. Ed., vol. 47, no. 44, pp. 8438–8441, 2008.

[33] W. Li, B. Zhang, X. Li, H. Zhang, and Q. Zhang, ‘Preparation and characterization of novel immobilized Fe3O4@SiO2@mSiO2–Pd(0) catalyst with large pore-size mesoporous for Suzuki coupling reaction’, Appl. Catal. A Gen., vol. 459, pp. 65–72, 2013.

[34] W. H. B. D. S. F.R.S., ‘XXX. The structure of the spinel group of crystals’, Philos. Mag., vol. 30, no. 176, pp. 305–315, 1915.

[35] H. Hirazawa, H. Aono, K. Moritani, T. Naohara, T. Maehara, and Y. Watanabe, ‘Heat Generation Ability in AC Magnetic Field for Y 3 Fe 5 O 12 -based Garnet Ferrite’, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 18, no. 9, p. 92010, 2011.

[36] M. Venkatesan, S. Nawka, S. C. Pillai, and J. M. D. Coey, ‘Enhanced magnetoresistance in nanocrystalline magnetite’, in Journal of Applied Physics, 2003, vol. 93, no. 10 3, pp. 8023–8025.

[37] D. Thapa, V. . Palkar, M. . Kurup, and S. . Malik, ‘Properties of magnetite nanoparticles synthesized through a novel chemical route’, Mater. Lett., vol. 58, no. 21, pp. 2692–2694, 2004.

[38] S. a. Corr, ‘New two in one magnetic fluorescent nanocomposites’, Proc. SPIE, vol. 5824, no. March, pp. 71–78, 2005.

[39] G. B. Biddlecombe, Y. K. Gun’ko, J. M. Kelly, S. C. Pillai, J. M. D. Coey, M. Venkatesan, and A. P. Douvalis, ‘Preparation of magnetic nanoparticles and their assemblies using a new Fe(ii) alkoxide precursor’, J. Mater. Chem., vol. 11, no. 12, pp. 2937–2939, 2001.

[40] Z. H. Zhou, J. Wang, X. Liu, and H. S. O. Chan, ‘Synthesis of Fe3O4 nanoparticles from emulsions’, J. Mater. Chem., 2001.

[41] C. R. Lin, Y. M. Chu, and S. C. Wang, ‘Magnetic properties of magnetite nanoparticles prepared by mechanochemical reaction’, Mater. Lett., 2006.

[42] R. Fan, X. H. Chen, Z. Gui, L. Liu, and Z. Y. Chen, ‘A new simple hydrothermal preparation of nanocrystalline magnetite Fe 3 O 4’, Mater. Res. Bull., vol. 36, no. 3–4, pp. 497–502, 2001.

[43] C. Balasubramaniam, Y. B. Khollam, I. Banerjee, P. P. Bakare, S. K. Date, A. K. Das, and S. V. Bhoraskar, ‘DC thermal arc-plasma preparation of nanometric and stoichiometric spherical magnetite (Fe3O4) powders’, Mater. Lett., vol. 58, no. 30, pp. 3958–3962, 2004.

[44] A. Shilpa, S. S. Agrawal, and A. R. Ray, ‘Controlled Delivery of Drugs from Alginate Matrix’, J. Macromol. Sci. Part C Polym. Rev., vol. 43, no. 2, pp. 187–221, 2003.

[45] H. H. Tønnesen and J. Karlsen, ‘Alginate in Drug Delivery Systems’, Drug Dev. Ind. Pharm., 2002.

[46] H. A. Patel, R. S. Somani, H. C. Bajaj, and R. V. Jasra, ‘Nanoclays for polymer nanocomposites, paints, inks, greases and cosmetics formulations, drug delivery vehicle and waste water treatment’, Bull. Mater. Sci., vol. 29, no. 2, pp. 133–145, 2006.

[47] T. Pongjanyakul and H. Suksri, ‘Alginate-magnesium aluminum silicate films for buccal delivery of nicotine’, Colloids Surfaces B Biointerfaces, 2009.

[48] F. Hoffmann, M. Cornelius, J. Morell, and M. Fröba, ‘Silica-based mesoporous organic-inorganic hybrid materials’, Angew. Chemie – Int. Ed., 2006.

[49] A. Monnier, F. Schuth, Q. Huo, D. Kumar, D. Margolese, R. S. Maxwell, G. D. Stucky, M. Krishnamurty, P. Petroff, A. Firouzi, M. Janicke, and B. F. Chmelka, ‘Cooperative Formation of Inorganic-Organic Interfaces in the Synthesis of Silicate Mesostructures’, Science (80-. )., vol. 261, no. 5126, pp. 1299–1303, 1993.

[50] V. Meynen, P. Cool, and E. F. Vansant, ‘Verified syntheses of mesoporous materials’, Microporous Mesoporous Mater., vol. 125, no. 3, pp. 170–223, 2009.

[51] M. M. L. Ribeiro Carrott, F. L. Conceição, J. M. Lopes, P. J. M. Carrott, C. Bernardes, J. Rocha, and F. Ramôa Ribeiro, ‘Comparative study of Al-MCM materials prepared at room temperature with different aluminium sources and by some hydrothermal methods’, Microporous Mesoporous Mater., vol. 92, no. 1–3, pp. 270–285, 2006.

[52] A. N. Mlinar, S. Shylesh, O. C. Ho, and A. T. Bell, ‘Propene oligomerization using Alkali metal- and nickel-exchanged mesoporous aluminosilicate catalysts’, ACS Catal., 2014.

[53] X. Wei, W. Wang, J. Xiao, L. Zhang, H. Chen, and J. Ding, ‘Hierarchically porous aluminosilicates as the water vapor adsorbents for dehumidification’, Chem. Eng. J., vol. 228, no. Complete, pp. 1133–1139, 2013.

[54] J. Faye, A. Takahashi, M. Capron, P. Fongarland, F. Dumeignil, and T. Fujitani, ‘Al-modified mesoporous silica for efficient conversion of methanol to dimethyl ether’, RSC Adv., vol. 3, no. 17, p. 5895, 2013.

[55] M. Kruk, ‘Access to Ultralarge-Pore Ordered Mesoporous Materials through Selection of Surfactant/Swelling-Agent Micellar Templates’, Acc. Chem. Res., vol. 45, no. 10, pp. 1678–1687, 2012.

[56] L. Cao and M. Kruk, ‘Short synthesis of ordered silicas with very large mesopores’, RSC Adv., 2014.

[57] R.-A. . b Mitran, D. . Georgescu, N. . Stănică, C. . Matei, and D. . Berger, ‘Coating magnetite nanoparticles with mesostructured silica shell of different pore size and geometry [Acoperirea nanoparticulelor de magnetită cu strat de silice mezoporoasă cu pori de dimensiuni și geometrii diferite]’, Rev. Rom. Mater. Rom. J. Mater., 2016.

[58] D. Carta, S. Bullita, M. F. Casula, A. Casu, A. Falqui, and A. Corrias, ‘Cubic mesoporous silica (SBA-16) prepared using butanol as the Co-surfactant: A general matrix for the preparation of FeCo-SiO2 nanocomposites’, Chempluschem, 2013.

[59] P. I. Ravikovitch and A. V. Neimark, ‘Density functional theory of adsorption in spherical cavities and pore size characterization of templated nanoporous silicas with cubic and three-dimensional hexagonal structures’, Langmuir, 2002.

[60] M. L. Nelson, B. H. Park, J. S. Andrews, V. A. Georgian, R. C. Thomas, and S. B. Levy, ‘Inhibition of the tetracycline efflux antiport protein by 13-thio-substituted 5-hydroxy-6-deoxytetracyclines’, J. Med. Chem., vol. 36, no. 3, pp. 370–377, 1993.

[61] M. L. Nelson and S. B. Levy, ‘Reversal of Tetracycline Resistance Mediated by Different Bacterial Tetracycline Resistance Determinants by an Inhibitor of the Tet ( B ) Antiport Protein Reversal of Tetracycline Resistance Mediated by Different Bacterial Tetracycline Resistance Determin’, vol. 43, no. 7, pp. 1719–1724, 1999.

[62] I. Chopra and M. Roberts, ‘Tetracycline Antibiotics : Mode of Action , Applications , Molecular Biology , and Epidemiology of Bacterial Resistance Tetracycline Antibiotics : Mode of Action , Applications , Molecular Biology , and Epidemiology of Bacterial Resistance’, Microbiol. Mol. Biol. Rev., vol. 65, no. 2, pp. 232–260, 2001.

[63] I. Chopra, P. M. Hawkey, and M. Hinton, ‘Tetracyclines, molecular and clinical aspects’, J. Antimicrob. Chemother., vol. 29, no. 3, pp. 245–277, 1992.

[64] T. D. (Department of M. and I. Edlind Medical College of Pennsylvania, 3300 Henry Avenue, Philadelphia, PA 19129 (USA)), ‘Protein synthesis as a target for antiprotozoal drugs’. Taylor and Francis Ltd, 1991.

[65] D. Schnappinger and W. Hillen, ‘Tetracyclines: antibiotic action, uptake, and resistance mechanisms’, Arch. Microbiol., vol. 165, no. 6, pp. 359–369, 1996.

[66] A. D. Haffajee and S. S. Socransky, ‘Microbial etiological agents of destructive periodontal diseases’, Periodontol. 2000, vol. 5, no. 1, pp. 78–111, 1994.

[67] A. M. El-Toni, A. Khan, J. P. Labis, M. A. Ibrahim, and M. Al-hoshan, ‘Synthesis of Magnetic Core–Mesoporous Silica Shell Nanoparticles Using Anionic Surfactant and Their Application for Ketoprofen Control Release’, Chem. Lett., vol. 41, no. 10, pp. 1357–1359, 2012.

[68] E. R. Kenawy, F. I. Abdel-Hay, M. H. El-Newehy, and G. E. Wnek, ‘Controlled release of ketoprofen from electrospun poly(vinyl alcohol) nanofibers’, Mater. Sci. Eng. A, vol. 459, no. 1–2, pp. 390–396, 2007.

[69] M. Silion, D. Hritcu, I. M. Jaba, B. Tamba, D. Ionescu, O. C. Mungiu, and I. M. Popa, ‘In vitro and in vivo behavior of ketoprofen intercalated into layered double hydroxides’, J. Mater. Sci. Mater. Med., vol. 21, no. 11, pp. 3009–3018, 2010.

[70] G. Minotti, ‘Anthracyclines: Molecular Advances and Pharmacologic Developments in Antitumor Activity and Cardiotoxicity’, Pharmacol. Rev., vol. 56, no. 2, pp. 185–229, 2004.

III. Contribuții Originale

III.1. Transportori pe bază de silice mezoporoasă pentru antibiotice din clasa tetraciclinelor

Un prim obiectiv al lucrării de cercetare a constat în obținerea unor transportori de tip silice, aluminosilicați mezoporoși și compozite oxid de ceriu-silice, prin metode de sinteză diferite, în vederea utilizării acestora drept transportori în sisteme cu eliberare controlată de medicamente.

Silicea mezostructurată reprezintă o clasă emergentă de materiale care se utilizează drept vehicule în sisteme cu eliberare controlată de medicamente datorită proprietăților acestora: porozitate mare, rețea ordonată de pori, o bună biocompatibilitate, capacitate de adsorbție ridicată etc. [1. M. Vallet-Regí; F. Balas; D. Arcos, Mesoporous Materials for Drug Delivery, Angewandte Chemie International Edition, vol. 46 (40), 2007, pp. 7548-7558]. Drept suport pentru principii active farmaceutice, silicea mezoporoasă se poate combina cu diferite specii anorganice, cu obținere de compozite, sau poate fi funcționalizată cu diferite grupări organice obținându-se materiale mezoporoase hibride [2.R. C. S. Azevedo; R. G. Sousa; W. A. A. Macedo; E. M. B. Sousa, Combining mesoporous silica–magnetite and thermally-sensitive polymers for applications in hyperthermia, J Sol-Gel Sci Technol, vol. 72 (2), 2014, pp. 208-218.], materiale cu răspuns la diferiți stimuli [3.R.-A. Mitran; D. Berger; L. Băjenaru; S. Năstase; C. Andronescu; C. Matei, Azobenzene functionalized mesoporous AlMCM-41-type support for drug release applications, cent.eur.j.chem., vol. 12 (7), 2014, pp. 788-795.], care controlează eliberarea de molecule biologic active [4.R. Liang; M. Wei; D. G. Evans; X. Duan, Inorganic nanomaterials for bioimaging, targeted drug delivery and therapeutics, Chemical Communications, vol. 2014, pp. // 5.R.-A. Mitran; S. Nastase; C. Matei; D. Berger, Tailoring the dissolution rate enhancement of aminoglutethimide by functionalization of MCM-41 silica: a hydrogen bonding propensity approach, RSC Advances, vol. 5 (4), 2015, pp. 2592-2601.].

Oxidul de ceriu prezintă o structură cubică de tip fluorit, care poate fi un compus nonstoichiometric, datorită stării de oxidare a atomilor de ceriu, +4 și +3, reducerea Ce+4 la Ce+3 fiind însoțită de formarea de vacanțe de oxigen, responsabile pentru activitatea sa antioxidantă. Pe baza rezultatelor de spectroscopie fotoelectronică de raze X (XPS) și EXASF se poate concluziona că raportul dintre concentrațiile Ce+3/Ce+4 crește pe măsură ce dimensiunea particulelor scade și că particulele de oxid de ceriu de 6 nm au un conținut de Ce+3 de minim 6%, în timp ce nanoparticulele de 10 nm prezintă o concentrație de 1% Ce+3 [6]. D. Schubert, R. Dargusch, J. Raitano, S.W. Chan, Cerium and yttrium oxide nanoparticles are neuroprotective, Biochem. Biophys. Res. Com. vol. 42, pp. 86–91, 2006.].

Oxidul de ceriu nanometric prezintă proprietăți antioxidante în culturi celulare ca urmare a echilibrului între stările de oxidare, Ce+4↔Ce+3, pe suprafața nanoparticulelor acționând ca dismutază superoxid și catalază mimetică [7. L. Kong, X. Cai, X.H. Zhou, L.L. Wong, A.S. Karakoti, S. Seal, J.F. McGinnis, Nanoceria extend photoreceptor cell lifespan in tubby mice by modulation of apoptosis/survival signaling pathways, Neurobiol Dis., 42, pp. 514-523, 2011.]. Pe baza capacității acestuia de reținere a radicalilor liberi, oxidul de ceriu nanometric poate fi utilizat ca agent terapeutic pentru: diminuarea progresivă a degenerării retinei, reducerea formării speciilor superoxid și peroxinitrit în cardiopatia ischemică, în tratamentul bolilor neurologice [8.L. Kong, X. Cai, X.H. Zhou, L.L. Wong, A.S. Karakoti, S. Seal, J.F. McGinnis, Nanoceria extend photoreceptor cell lifespan in tubby mice by modulation of apoptosis/survival signaling pathways, Neurobiol Dis., 42, pp. 514-523, 2011. // 9. J.L. Niu, A. Azfer, L.M. Rogers, X.H. Wang, P.E. Kolattukudy, Cardioprotective effects of cerium oxide nanoparticles in a transgenic murine model of cardiomyopathy, Cardiovasc. Res. vol. 73 pp. 549–559, 2007. // 10. C. K. Kim, T. Kim, I.-Y. Choi, M. Soh,. Dg Kim, Y.-Ju Kim, H. Jang, H-S. Yang, J. Y. Kim, H.K. Park, S. P. Park, S. Park, T. Yu, B.-W. Yoon, S.-H. Lee, T. wan Hyeon, Ceria nanoparticles that can protect against ischemic stroke, Angew. Chem. Int. Ed. vol. 51, pp. 11039-11043, 2012.]. Andreescu și colaboratorii săi [] au raportat o interacție puternică a dopaminei cu suprafața nanoparticulelor de oxid de ceriu rezultând un complex cu transfer de sarcină. Aceste procese implică oxidarea dopaminei de către CeO2 la intermediari de tip dopachinonă și legarea grupării chinonice de suprafața oxidului de ceriu ce are ca rezultat scăderea nivelul de dopamină liberă în sisteme biologice expuse la nanoparticule de oxid de ceriu [11.A. Hayat, D. Andreescu, G. Bulbul, S. Andreescu, Redox reactivity of cerium oxide nanoparticles against dopamine, J. Coll. Inter. Sci. vol. 418 pp. 240–245, 2014.].

Pentru prima dată, compozitele mezoporoase de tip oxid de ceriu – silice au fost investigate ca vehicule în sisteme cu eliberare controlată de medicamente.

S-au ales pentru comparație mai multe tipuri de silici mezoporoase sintetizate și raportate anterior, în cadrul grupului de cercetare, după cum urmează: o silice mezoporoasă de tip MCM-41, pentru care surfactantul a fost îndepărtat prin două metode diferite, extracție, respectiv calcinare, un aluminosilicat AlMCM-41 (51) sintetizat în prezență de C14TAB și doi transportori de tip MCM-48 cu proprietăți texturale diferite ca urmare a utilizării unor agení de direcționare diferiți, C16TAB și, respectiv, GEMINI 16-12-16. Totodată pentru acest studiu au fost selecționate AlMCM-41 comercial (raport molar Si/Al = 40, Sigma) și MCM-41 (Sigma).

De asemenea, compozitele cu oxid de ceriu au fost comparate și cu două tipuri de silici mezoporoase funcționalizate cu grupări 3-aminopropil MCM-41 APTES și MCF APTES.

Atât materialele sintetizate cât și cele utilizate în această etapă a cercetării au fost caracterizate prin difracție de raze X la unghiuri mici și mari, spectroscopie FTIR, microscopie electronică de baleiaj (SEM) și în transmisie (TEM), analiză elementară cu dispersia energiei cu raze X (EDX) asociată cu microscopia electronică de baleiaj și izoterme de adsorbție-desorbție a azotului (Quantachrome Aurosorb iQ2) înregistrate la temperatura azotului lichid, 77 K. Valorile suprafeței specifice au fost determinate prin metoda Brunauer-Emmet-Teller (BET) la presiunii relative în domeniul 0.05-0.3 din ramura de adsorbție a izotermei, iar distribuția dimensiunii porilor pentru materialele preparate a fost calculată din ramura de desorbție cu ajutorul teoriei Barrett-Joyner-Halenda (BJH) pe baza ecuației Kelvin.

Rezultatele obținute au fost analizate și comparate pentru a evidenția proproietățile compozitelor silice-oxid de ceriu pentru a demonstra oportunitatea utilizării acestora drept transportori în sisteme cu eliberare controlată de medicamente. Prin urmare, s-au studiat compozitele mezoporoase oxid de ceriu-silice în comparație cu silicea mezoporoasă și aluminosilicați, ca transportori ai doxiciclinei, oxitetraciclinei și ketoprofenului.

Doxiciclina și oxitetraciclină sunt două antibiotice cu spectru larg din grupa tetraciclinelor care au fost utilizate drept molecule organice model în sistemele cu eliberare controlată de medicamente pe bază de matrici anorganice mezoporoase.

Iwasaki și colaboratorii săi [] a arătat că doxiciclina pe lângă proprietățile bacteriostatice, prezintă proprietăți anti-inflamatoare, citostatice și antiproliferative pe diverse linii celulare canceroase [13. H. Iwasaki; H. Inoue; Y. Mitsuke; A. Badran; S. Ikegaya; T. Ueda, Doxycycline induces apoptosis by way of caspase-3 activation with inhibition of matrix metalloproteinase in human T-lymphoblastic leukemia CCRF-CEM cells, Journal of Laboratory and Clinical Medicine, vol. 140 (6), 2002, pp. 382-386. // 14.W. C. M. Duivenvoorden; S. V. Popović; Š. Lhoták; E. Seidlitz; H. W. Hirte; R. G. Tozer; G. Singh, Doxycycline Decreases Tumor Burden in a Bone Metastasis Model of Human Breast Cancer, Cancer Research, vol. 62 (6), 2002, pp. 1588-1591.]. Structura sa chimică o face de cinci până la zece ori mai lipofilă și mai plasmatică comparativ cu analogul său natural tetraciclina [15. N. Holmes, P. Charles Safety and efficacy review of doxycycline. Clinical Medicine: Therapeutics. 1, 2009 pp. 471–482.]. Structura doxiciclinei

Oxitetraciclina (Fig. ) este un antibiotic cu activitate împotriva diferitelor bacterii, care este încă utilizată în tratamentul infecțiilor, în special în medicina veterinară. Se administrează pe cale orală la animale și este parțial absorbită în tractul gastrointestinal [16.E.C. Perreira-Maia, P.P. Silva, W.B. De Almeida, H.F. Dos Santos, B.L. Marcial, R. Ruggeiro, W. Guerra, Tetracyclines and glycylclines: An overview, Quimica Nova vol. 33, pp. 700-706, 2010.]. Structura și dimensiunea moleculei de oxitetraciclină

Ketoprofenul este un derivat de acid propionic și face parte din clasa medicamentelor antiinflamatoare nonsteroidiene. Se distinge prin activitatea sa antiinflamatorie, analgezică și antipiretică datorată inhibării sintezei prostaglandinelor și agregării plachetare. Este indicat în tratamentul simptomatic al reumatismului inflamator în puseu acut, în special poliartrita reumatoidă, spondilita anchilozantă, precum și în tratamentul simptomatic al puseelor acute în artroze (coxartroze, gonartroze) și dureri acute posttraumatice.

Este un compus chimic cu solubilitate scăzută în apă (0.0213 mg/mL), sens în care din literatură [17. Michal Moritz, Marek Laniecki, SBA-15 mesoporous material modified with APTES as the Carrier for 2-(3-benzoylphenyl) propionic acid, Applied Surface Science 258 (2012) 7523-7529] a fost identificat ca bun solvent 2-propanolul și a fost utilizat pentru studiile de adsorbție ale ketoprofenului.

În acest scop, cantități diferite din fiecare medicament s-au adsorbit prin metoda umectării incipiente, în mezoporii transportorilor aleși, iar compozitele ce conțin substanțe biologic active obținute au fost caracterizate prin FTIR, difracții de raze X la unghiuri mici și mari și izoterme de adsorbție-desorbție a azotului înregistrate la temperatura azotului lichid, 77 K. Valorile suprafeței specifice și distribuția dimensiunii porilor pentru compozitele pe bază de substanțe biologic active preparate au fost determinate în același mod ca și pentru transportori. Ulterior, s-au efectuat studii de desorbție in vitro a agentului terapeutic în fluide biologice simulate, soluție tampon de fosfat, pH=7.4 sau 5.7. Datele experimentale obținute au fost fitate cu ajutorul funcției Weibull exponențială, cu doi parametri, aplicată de obicei la analiza dizolvării medicamentelor și pentru studiile de eliberare.

Pentru compozitele cu oxitetraciclină s-a deteminat activitatea antimicrobiană împotriva a cinci specii clinice izolate de S. aureus și S. aureus ATCC 43300.

Fig. Structura chimică a oxitetraciclinei Fig. Structura chimică a doxiciclinei

Fig. Structura chimică a ketoprofenului

III.1.2. Materiale utilizate

Pentru sinteza suporților s-a utilizat tetraetilortosicat (TEOS, Fluka), drept precursor al silicei. Surfactanții folosiți au fost: bromură de trimetiltetradecilamoniu (C14TAB, Fluka), bromură de trimetiltetradecil amoniu C16TAB, Fluka) și GEMINI 16-12-16. Mediul bazic a fost asigurat de soluție apoasă de amoniac 25% (Schaarlau). Sursele de ceriu au provenit din soluție apoasă de CeCl3.7H2O (Sigma-Aldrich) și, respectiv, azotat de ceriu (IV) și amoniu ((NH4)2Ce(NO3)6 (Sigma Aldrich). Sursa de aluminiu a fost furnizată de octadecahidrat de sulfat de aluminiu (Al2(SO4)3.18H2O, Sigma). Medicamentele cu care s-a lucrat au fost: clorhidrat de oxitetracicilină (Sigma), hiclat de doxiciclină (Sigma-Aldrich) și ketoprofen (Sigma). Pentru experimentele de eliberare in vitro fluidele biologice au fost simulate cu ajutorul a două soluții, astfel:

Pentru studiile de desorbție a antibioticelor s-a utilizat soluție salină tampon de fosfat, pH = 5.7, obținută după următoarea rețetă: 11,2 g fosfat de potasiu monobazic, KH2PO4 (Sigma), 0,915 g fosfat dibazic de sodiu, Na2HPO4 (Sigma Aldrich) în 500 mL apă ultrapură,

Pentru ketoprofen s-a folosit soluție tampon de fosfat ionic cu pH 7.4 [18. M. R.C. Marques, R. Loebenberg, M. Almukainzi, Simulated Biological Fluids with Possible Application in Dissolution Testing, Dissolution Technologies, 18(3):15-28, august 2011], obținută după rețeta: 8.035 g clorură de sodiu (Sigma Aldrich), 0.355 g bicarbonat de sodiu (comercial), 0.225 g clorură de potasiu (Sigma Aldrich), 0.231 g fosfat dibazic de potasiu trihidrat (Fluka), 0.311 g clorură de magneziu hexahidrat (Sigma), 39 mL acid clorhidric 1M, 0.387 g clorură de calciu dihidrat (SC Chimreactiv SRL), 0.072 g sulfat de sodiu (Sigma) și 6.118 g tri(hidroximetil) aminometan (Sigma Aldrich). Se dizolvă într-un litru de apă ultrapură.

Pentru extracția sărurilor cuaternare de amoniu utilizate drept agenți de direcționare a structurii s-a folosit o soluție alcoolică de azotat de amoniu în prima etapă și o soluție alcoolică acidă în etapa a doua. Pentru toate soluțiile și experimentele s-a utilizat apă ultrapură (sistem de purificare Millipore Direct Q3 UV cu cartuș BIOPACK UF).

III.1.3. Caracterizarea transportorilor pe bază de silice mezoporoasă

Metodele de caracterizare utilizate atât pentru transportorii mezoporoși, cât și pentru probele pe bază de substanțe biologic acitve sunt: difracția la unghiuri mici și mari, spectroscopia FTIR și izotermele de adsorbție-desorbție ale azotului măsurate la 77.

Difracția la unghiuri mici și mari s-a efectuat cu ajutorul difractometrului Rigaku Miniflex II cu radiație Cu-Kα. Difracțiile la unghiuri mici au fost înregistrate în limitele 2θ = 1.2-6.0 ș cu o viteză de 0.5 ș/min și un pas de 0.01 ș, iar difracțiile la unghiuri mari au fost efectuate în limite 2θ de 6-50 ș cu o viteză de 2 ș/min. Spectrele FTIR au fost înregistrate cu ajutorul unui spectrofotometru Bruker Tensor 27 în limite ale lungimii de undă 4000-400 cm-1 (tehnica pastilei cu KBr).

În vederea determinării morfologiei transportorilor mezoporoși, aceștia au fost investigați prin SEM (microscopul Tescan Vega 3 LM) și TEM (microscopul cu transmisie de electroni de înaltă rezoluție FEI Tecnai G2 – F30 echipat cu un tun cu emisie de electroni și o tensiune de accelerare de 300 KV. Analiza termică (DTA-TG) a fost realizată cu un echipament Mettler Toledo GA/SDTA851e folosind creuzete din alumină, în aer, cu o viteză medie de încălzire 10 șC/min de la 20 la 1000 șC. Valorile raportului molar Si/Al ale probelor de aluminosilicați au fost calculate pe baza analizelor EDX efectuate în cel puțin cinci regiuni diferite ale probei folosind un modul EDX (Bruker) cuplat la un microscop electronic (Tescan Vega 3 LM).

Profilele de eliberare a substanțelor biologic active din transportorii mezoporoși s-au determinat prin spectroscopie UV-Vis prin utilizarea fie a unui spectrofotometru USB Ocean Optics 4000, fie a unuia Shimadzu UV-1800.

III.1.4. Sinteza transportorilor mezoporoși

În acest capitol sunt descrise: procedeele de sinteză a nanoparticulelor de oxid de ceriu, a compozitelor oxid de ceriu-silice, proveniența celorlalți suporți luați în considerare pentru studiu, tehnicile de îndepărtare ale surfactanților de pe suprafața pulberilor obținute, funcționalizarea cu grupări 3-aminopropil și de depunere a medicamentelor în mezoporii compozitelor sintetizate sau alese pentru studiu, experimentele de eliberare in vitro ale medicamentelor din compozitele analizate și fitarea datelor experimentale cu ajutorul modelului Weibull.

Pentru designul compozitelor mezoporoase pe bază de oxid de ceriu s-au ales două metode de sinteză. Prima este o sinteză în două etape care a constat în obținerea întai a nanoparticulelor de oxid de ceriu, urmată de acoperirea acestora cu silice mezoporoasă de tip MCM-41, modul de lucru fiind următorul:

Sinteza nanoparticulelor de CeO2

Nanoparticulele de CeO2 au fost obținute prin metoda hidrotermală, în prezență de bromură de cetiltrimetil amoniu (CTAB). Astfel, s-au adăugat 4 mL soluție apoasă de amoniac 25% peste o soluția de CTAB preparată anterior prin dizolvarea a 0,6 g CTAB în 30 mL apă, urmată de adăugarea în picătură a soluției apoase de CeCl3 0.5 M, raportul molar CeCl3/CTAB fiind 6.67. Amestecul de reacție s-a menținut sub agitare magnetică la 40 °C, timp de 1 h, apoi s-a supus unui tratament hidrotermal la 110°C, 24 h. Precipitatul format a fost izolat prin filtrare și s-a spălat cu apă caldă și etanol.

Sinteza compozitului CeO2@MCM-41

Nanoparticulele de CeO2 obținute anterior au fost dispersate într-o soluție apoasă de CTAB, urmată de adăugarea unei soluții de amoniac 25% pentru a asigura mediul bazic și de tetraetil ortosilicat (TEOS), precursorul de silice utilizat, în raport molar TEOS/CeO2 = 19. Amestecul de reacție a fost agitat magnetic la 40°C, 24 h și apoi a fost supus unui tratament hidrotermal la 120°C, timp de 48 h. Precipitatul format a fost izolat prin filtrare și s-a spălat cu apă caldă și etanol. Pentru îndepărtarea completă a agentului de direcționare a structurii, compozitul a fost calcinat la 550°C, 5h.

Pentru cea de a doua metodă de sinteză s-a utilizat metoda sol-gel prin care s-a obținut mai întâi silicea, care, ulterior, a fost acoperită cu nanoparticule de oxid de ceriu. Prin această metodă s-au sintetizat două compozite mezoporoase silice – oxid de ceriu cu concentrații diferite de oxid de ceriu 10% și 20% notate MCM-CeO2(1), respectiv MCM-CeO2(2).

Sinteza compozitului MCM-CeO2

Compozitele mezoporoase silice – oxid de ceriu cu un conținut de 10% și, respectiv 20% (mol) a fazei de oxid de ceriu au fost preparate prin metoda sol-gel folosind tetraetil ortosilicat ca sursă de silice și azotat de ceriu (IV) și amoniu, (NH4)2Ce(NO3)6, ca precursor de ceriu, în prezență de CTAB, în mediu bazic. Peste soluția apoasă de CTAB s-a adăugat soluția apoasă de amoniac 25%), iar când amestecul de reacție a atins 40oC s-a adăugat TEOS în picătură, sub agitare magnetică. După precipitarea TEOS-ului s-a adăugat soluția apoasă de azotatul de ceriu și amoniu. Rapoartele molare TEOS: ((NH4)2Ce(NO3)6:CTAB:NH3 au fost de 1:0.1:0.25:3.37 pentru MCM-CeO2(1) și respectiv, 1:0.2:0.27:3.7 pentru MCM-CeO2(2). Amestecul de reacție s-a maturat sub agitare magnetică viguroasă la 60°C/1h pentru o bună impregnare a silicei coloidale cu ioni de ceriu și apoi a fost supus unui tratament hidrotermal la 100°C, 96 h într-o autoclavă, la presiune de vapori autogenă, în condiții statice. Solidul format a fost filtrat, spălat cu etanol și apă caldă și apoi uscat la temperatura camerei. Pentru a îndepărta agentul de direcționare a structurii (CTAB), compozitele dioxid de ceriu-silice s-au calcinat la 550°C/5h cu o viteză de încălzire de 1°/min.

Pentru a pune în evidență proprietățile texturale și structurale ale compozitelor pe bază de oxid de ceriu s-au ales pentru comparație următoarele tipuri de silice mezoporoasă:

– o probă de silice de tip MCM-41 preparată conform unei rețetei raportată anterior [19.S. Nastase et al. Micropor. Mesopor. Mater. 2013 Jia, L.J., Shen, J.Y., Li, Z.Y., Zhang, D.R., Zhang, Q., Lin, G.P., Zheng, D.D., Tian, X.N., 2013. In vitro and in vivo evaluation of paclitaxel-loaded mesoporoussilica nanoparticles with three pore sizes. Int. J. Pharm. 445, 12–19]. Îndepărtarea surfactantului s-a efectuat prin extracție. În prima etapă, 1 g de silice a fost refluxat în 100 mL soluție etanol ce conține 2g azotat de amoniu la 90°C, timp de 1 h, iar apoi a fost separat solidul, spălat cu apă și uscat. În a două etapă, silicea s-a refluxat în soluție acidă alcoolică (9 mL HCl 37% în 100 mL etanol) la 90°C timp de 1h [20. Martínez, L., Villalobos, R., Sánchez, M., Cruz, J., Ganem, A., Melgoza, L.M., 2009. Monte Carlo simulations for the study of drug release from cylindrical matrix systems with an inert nucleus. Int. J. Pharm. 369, 38–46.]. Proba de silice de tip MCM-41 obținută astfel s-a notat MCM-41E. De asemenea, în acest studiu s-a utilizat și o probă de MCM-41 calcinată la 550°C/5h.

Totodată, pentru analiza influenței oxidului de ceriu asupra structurii compozitului mezoporos a fost selecționat și un aluminosilicat de tip AlMCM-41 (51) sintetizat în prezență de C14TAB (probă notată cu AlMCM-41 (51)), a cărui metodă de obținere a fost raportată în altă lucrare (21. Năstase et al., 2013 – Nastase, S., Bajenaru, L., Matei, C., Mitran, R.A., Berger, D., 2013. Ordered mesoporous silica and aluminosilicate-type matrix for amikacin delivery systems. Microporous Mesoporous Mater. 182, 32–39.).

Pentru a studia rolul dimensiunii și geometriei porilor asupra adsorbției și profilului de eliberarea in vitro a moleculelor de antibiotic, s-au utilizat și doi transportori de tip MCM-48 cu proprietăți texturale diferite, obținuți în prezența unor agenți de direcționare a structurii diferiți, C16TAB (transportor notat MCM-48) și GEMINI 16-12-16 (notat MCM-48G). Toate detaliile privind prepararea și caracterizarea materialelor MCM-48 au fost raportate în altă lucrare (Berger et al., 2015).

De asemenea, ca matrici pentru antibiotic au fost utilizate și AlMCM-41 comercial (raport molar Si/Al = 40, Sigma) și MCM-41 (Sigma) (notată AlMCM-41 (40) și respectiv MCM-41).

Pentru acest studiu s-au folosit și două tipuri de silice mezoporoasă, MCM-41 cu distribuție ordonată a porilor de formă hexagonală 1D și MCF cu pori interconectați sintetizate utilizând tetraetilortosilicat ca sursă de siliciu, bromură de cetil sau tetradecil trimetilamoniu în cazul MCM-41 și PLURONIC P123 ca agenți de directare a structurii și 1,3,5 trimetil benzen ca agent de gonflare, care au fost funcționalizate cu grupări 3-aminopropil prin metoda post-sinteză.

Silicea s-au uscat în vid, timp de o oră, după care s-adispersat în 5 mL toluen. Separat, s-a dispersat APTES în 2,5 mL toluen și s-a adaugat peste silicea dispersată în toluen. Amestecul de reacție s-a menținut 24 h, la 50°C. Precipitatul rezultat s-a separat prin centrifugare, s-a spălat cu diferiți solvenți în ordinea indicată în tabelul 1, apoi s-a lăsat la uscat în aer liber.

Tabelul 1. Parametrii funcționalizării silicei cu grupări 3-aminopropil

III.1.5. Caracterizarea suporților de tip oxid de ceriu-silice

Spectroscopie FTIR

Spectrele FTIR ale transportorilor sunt asemănătoare, astfel că vor fi prezentate în continuare doar benzile reprezentative pentru fiecare material în parte. La spectrele FT-IR ale suporturilor anorganice pe bază de oxid de ceriu, semnificative sunt benzile caracteristice silicei și ale dioxidului de ceriu: vibrația de întindere asimetrică de intensitate mare și simetrică de intensitate medie de la 1085 cm-1 și, respectiv, 800 cm-1 ale legăturilor Si-O-Si, de la 960 cm-1 indicând prezența grupelor silanol și de la 460 cm-1 atribuite benzilor de deformare ale Si-O suprapuse peste benzile foarte intense ale legăturilor Ce-O (Fig.).

Fig. Spectrele FTIR ale: compozitelor silice-dioxid de ceriu în comparație cu cele ale probelor de CeO2 și silice de tip MCM-41 și MCF simple și funcționalizate cu APTES

Banda de la 804 cm-1 poate fi atribuită și vibrațiilor de întindere simetrice ale legăturilor Si-O-Al suprapuse cu vibrațiile de deformare (γ) specifice grupelor OH legate de Al, iar banda de la 570 cm-1 poate fi asociată cu δ(Al-O) (în cazul AlMCM-41).(Fig. a)

Din spectrele FTIR ale probelor de silice funcționalizate cu grupări aminopropil, MCM-APTES și MCF-APTES se pot observa vibrațiile caracteristice grupării aminice de la 3445 cm-1 (νs(NH)) si 1535 cm-1 (δ(NH2), precum si benzile caracteristice lanțului propilic de la 1470 cm-1 (δ(CH2)), 2930 cm-1 (νas(CH)), 2855 cm-1 (νs(CH)), respectiv 695 cm-1 (γ(CH2)).(Fig. 4b, c)

Difracții de raze X la unghiuri mici și mari

Formarea fazei cristaline de fluorit cu simetrie cubică ce este caracteristic pentru CeO2 a fost pusă în evidență pentru toate materialele prin difracție de raze X la unghiuri mari (Fig.). De asemenea formarea silicei amorfe a fost confirmată de prezența picului de difracție larg centrat la 2θ=20° atât în cazul compozitului CeO2@MCM-41 (Fig. ), cât și în cazul materialul MCM-CeO2 (Fig. ). În plus, așa cum era de așteptat, se mai poate observa că intensitatea reflexiilor Bragg caracteristice CeO2 este mai redusă pentru CeO2@MCM-41 ca urmare a unui conținut mai mic de fază fluoritică în comparație cu materialul MCM-CeO2.

Analiza datelor de difracție de raze X la unghiuri mici (Fig. ) demonstrează că ambele compozite prezintă o rețea ordonată de pori cu aranjament hexagonal, caracteristică silicei de tip MCM-41, cu cel puțin o reflexie Bragg la unghiuri mici (10). Cele mai ordonate materiale prezintă trei reflexii Bragg (10), (11) și (20) caracteristice grupului de simetrie bidimensional hexagonal P6m caracteristic silicei MCM-41 (MCM-CeO2).

Fig. Modele de difracții de raze X la unghiuri mari a suporturilor pe bază de CeO2 și modele de difracție la unghiuri mici a suporturilor pe bază de CeO2 comparativ cu MCM-41

Rezultatele difracției de raze X la unghiuri mari au evidențiat pentru ambele compozite de tip silice – oxid de ceriu (cu conținut de ceriu de 10% și, respectiv, 20%) prezența structurii de tip fluorit cu simetrie cubică caracteristică nanoparticulelor de dioxid de ceriu pe lângă faza de silice amorfă (Fig. ). Rezultatele difracției de raze X la unghiuri mici au demonstrat formarea unei distribuții ordonate a porilor, ambele compozite prezentând reflexiile Bragg caracteristice materialelor de tip MCM-41 (Fig. ), o intensitate mai mare observându-se pentru compozite cu conținut mai mic de nanoparticule de dioxid de ceriu. MCM-41 are o distribuție a porilor 1D mai ordonată demonstrată de difracția de raze X la unghiuri mici (Fig. ). Nu s-au înregistrat diferențe semnificative ale difractogramelor de raze X la unghiuri mici ale probelor MCM-41E și MCM-41.

Fig. Difractogramele de raze X pentru compozite silice–dioxid de ceriu calcinate la 550°C/5h: la unghiuri mari și la unghiuri mici în comparație cu silicea de tip MCM-41

Datele de difracție la unghiuri mici în cazul silicei mezoporoase și aluminosilicaților arată formarea materialelor mezoporoase ordonate cu formă hexagonală a porilor, aparținând simetriei de tip P6m. Toate probele prezintă cel puțin trei reflexii Bragg caracteristice materialelor de tip MCM-41 (Fig. ) Tabelul adună condițiile de sinteză, caracteristicile structurale (distanța interplanară, d100, obținută din difracția la unghiuri mici, parametrul de unitate celulară, A0=2d100/√3 pentru pori hexagonali, matrice caracteristică pentru materiale de tip MCM-41 și grosimea peretelui, t = A0-dBJH) și parametrii texturali (suprafață specifică, SBET, diametrul mediu al porilor, dBJH, iar volumul total al porilor, Vpore) pentru transportori de tip silice mezoporoasă ordonată și aluminosilicați.

Încorporarea aluminiului în matricea silicei este acompaniată de descreșterea intensității picului de difracție (Fig.). Un alt efect al introducerii aluminiului în matricea silicei este descreșterea parametrului unitate celulară, a0 și grosimea pereților, t (Tabelul ).

Tabel. Condiții de sinteză și proprietățile structurale și texturale ale suporturilor de tip silice mezoporoase și aluminosilicați

a (Nastase și alții, 2013)

b(Berger și alții, 2015)

Fig. Izoterme de adsorbție-desorbție înregistrate la temperatura azotului lichid 77K

Analize SEM și TEM

Proba de CeO2 conține nanoparticule monodispersate de aprox. 20 nm (Fig. ). Ambele materiale, cel acoperit cu silice și compozitul oxid de ceriu-silice sunt compuse din nanoparticule sferice polidisperse ce au tendința de a forma aglomerate tot sferice, caracteristice materialelor de tip MCM-41 (Fig. 2B și C). Investigația prin SEM ale compozitului CeO2@MCM-41 (Fig. 2B) a dovedit că nanoparticulele de oxid de ceriu sunt dispersate în interiorul silicei.

Fig. Imaginile SEM ale CeO2 NP (A), CeO2@MCM-41(B) și MCM-CeO2 (C)

Investigarea prin TEM a compozitului MCM-CeO2(1) arată o rețea ordonată a porilor pentru silice în acord cu rezultatele difracției de raze X la unghiuri mici. Proba se prezintă sub formă de particule sferice de silice, iar nanocristale cu dimensiunea medie de 5 nm de dioxidul de ceriu sunt distribuite pe suprafața particulelor de silice (Fig. 4A).

Analiza SEM a compozitului anorganic MCM–CeO2(2) evidențiază formarea particulelor de silice sferice, de dimensiuni uniforme și a nanoparticulelor mici de dioxid de ceriu pe suprafața silicei (Fig.). MCM-41 calcinat la 550°C prezintă particule sferice mai mari decât compozitele, cu diametru variind între 400 și 600 nm (Fig.), în timp ce MCM-41E prezintă particule sferice asociate în formă de baghete, păstrând morfologia miceliilor de surfactant (Fig. 4D) așa cum demonstrează investigația SEM.

Fig. Imaginile TEM pentru MCM-CeO 2 (1)(A) și micrografuri SEM ale MCM-CeO2 (2), proba MCM-41 calcinată la 550°C (C) și proba MCM-41E (D)

Fig. Imaginea TEM pentru MCM-41E (42) (C) și AlMCM-41 (22) (D). În insert imagini FFT

Investigația TEM a transportorilor de tip silice mezostructurată și aluminosilicați sintetizați arată o distribuție ordonată mare a porilor aranjați sub formă de nanocanale paralele de diametru uniform. (Fig. )

Pentru proba MCM-41E necalcinată distanțele de spațiere interplanare calculate din imaginea FFT au valori foarte scăzute (până la 5%) (Fig. B insert și, respectiv C) comparativ cu rezultatele difracției XRD la unghiuri mici. Valorile mici ale distanței de spațiere în cazul TEM a probei necalcinate se datorează concentrației mari de grupări silanol de pe suprafața materialului mezoporos.

Combinarea rezultatelor XRD la unghiuri mici, investigația TEM și adsorbția azotului demonstrează formarea materialelor mezostructurate de tip silice și alumiosilicați cu compoziții și proprietăți texturale diferite, care au porozitate mare și sunt capabile să încorporeze suficient API pentru a forma sisteme cu eliberare controlată eficiente.

Izoterme de adsorbție-desorbție înregistrate la temperatura azotului lichid, 77 K

Toate compozitele oxid de ceriu-silice au suprafețe specifice mari (500-700 m2g-1) și valori ale volumului mezoporilor (Vmezopori=0.67-1.40 cm3g-1) relativ ridicate, ce corespund aplicării acestora drept vehicule pentru princii active farmaceutice.

Fig. Izotermele de adsorbție pentru: CeO2@MCM-41 (a), compozite oxid de ceriu-silice (b) și CeO2 NP (c)

Izotermele de adsorbție-desorbție ale compozitelor silice-dioxid de ceriu demonstrează o porozitate relativ mare, fiind de tipul IV, caracteristice materialelor mezoporoase (Fig. A).

Fig. 5 Izotermele de adsorbție-desorbție pentru suporții sintetizați și distribuția corespunzătoare a dimensiunii porilor (B)

Valorile suprafeței specifice SBET au fost calculate folosind metoda Brunauer-Emmett-Teller în domeniul presiunilor relative cuprinse între 0.05 și 0.30, iar distribuția dimensiunilor porilor a fost determinată prin metoda Barett-Joyner-Halenda din ramura de desorbție a izotermei, toate probele prezentând distribuție unimodală (Fig. B). Parametrii texturali (suprafața specifică, SBET, volumul total al porilor, Vp, și diametrul mediu al porilor, dBJH) determinate din izotermele de adsorbție-desorpție sunt prezentate în Tabelul I. Porozitatea compozitului MCM-CeO2 (2) este mai mică decât a celorlalte suporturi, având o fracție de macropori, explicată prin prezența nanoparticulelor de dioxid de ceriu pe suparafața compozitului MCM-CeO2(2) (Fig. A și B). În comparație cu silicea MCM-41 având diametrul mediu al porilor, dBJH =2.82 nm, compozitele silice-oxid de ceriu au o dimensiune a porilor ușor mai mică (2.67 nm)(Tabelul ).

Tabelul Parametrii texturali ai suporților de tip silice – oxid de ceriu

III.1.6. Calculul dimensiunii moleculelor de medicament

Pentru a calcula dimensiunea unei molecule este necesară optimizarea geometriei moleculei. În acest sens, molecula se desenează cu ajutorul programului AVOGADRO[http://avogadro.cc/wiki/Main_Page (vizitat în perioada octombrie-noiembrie 2016].

Fișierele astfel obținute s-au deschis cu ajutorul programului MacMOLPLT [http://www.scl.ameslab.gov/MacMolPlt/ (vizitat în perioada octombrie-noiembrie 2016)], pentru a crea fișierul cu date de intrare .inp pentru calculul geometriei moleculelor cu ajutorul GAMESS [F.Maseras, K.Morokuma J.Comput.Chem. 16, 1170 (1995).//J.R.Shoemaker, L.W.Burggraf, M.S.Gordon//J.Chem.Phys. 112, 2994-3005 (2000)//J.Phys.Chem.A 103, 3245-51 (1999)//C.H.Choi, M.S.Gordon J.Am.Chem.Soc. 121, 11311-7 (1999)// Y.Jung, C.H.Choi, M.S.Gordon J.Chem.Phys.B 105, 4039-44 (2001)// C.H.Choi, D.-J.Liu, J.W.Evans, M.S.Gordon, J.Am.Chem.Soc. 124, 8730 (2002)// Y.Jung, Y.Akinaga, K.D.Jordan, M.S.Gordon, Theoret.Chem.Acc. 109, 268-73 (2003)//C.H.Choi, M.S.Gordon J.Am.Chem.Soc. 124, 6162 (2002)], utilizând metoda m11.

Pentru a obține o geometrie îmbunătățită s-a repetat operația de optimizare, utilizând de această dată metoda ktzvp. Geometria finală obținută se deschide cu ajutorul programului AVOGADRO și se măsoară dimensiunea moleculei alegând ca repere atomii cei mai îndepărtați.

Valorile obținute sunt comparate cu dimensiunile porilor suporților pe care se încarcă respectivul medicament (Tabelul ).

Fig. Geometria optimizată a moleculei de doxiciclină Fig. Geometria optimizată a moleculei de oxitetraciclină

Fig. Geometria optimizată a moleculei de ketoprofen Fig. Geometria optimizată a moleculei de doxorubicin

Comparând valorile obținute pentru dimensiunile moleculelor cu cele ale diametrelor porilor suporților și, respectiv, al hibrizilor se poate observa că moleculele sunt mai mici, iar geometria acestora rezultată în urma calculelor de optimizare le permită să difuzeze în porii suporților, porii nefiind ocupați în totalitate.

III.1.7. Concluzii parțiale

În concluzie, cele două tipuri de compozite mezoporoase oxid de ceriu-silice au fost obținute atât prin procedura în două etape, compozitul de tip core-shell, cât și prin metoda într-o singură etapă, MCM-CeO2. Compozitele mezoporoase oxid de ceriu-silice prezintă o porozitate ridicată, nanoparticulelor de oxid de ceriu fiind distribuite atât în interiorul, cât și în exteriorul mezocanalelor de silice atât pentru materialul CeO2@MCM, cât și pentru proba MCM-CeO2, o distribuție mai ordonată a porilor obținându-se pentru compozitul MCM-CeO2.

III.2. Compozite pe bază de doxicilină

Pentru prima dată, compozitele mezoporoase de tip oxid de ceriu – silice au fost investigate ca vehicule în sisteme cu eliberare controlată de medicamente. Drept moleculă biologic activă s-a utilizat, doxicilina, care aparține clasei tetraciclină și a fost descoperită de Pfizer în 1966 ca o tetraciclină semisintetică cu acțiune îndelungată.

Drept suporți pentru adsorbția doxiciclinei s-a folosit compozitele oxid de ceriu-silice mezoporoase care au fost sintetizate anterior. De asemenea, s-a studia eliberarea in vitro a acesteia din compozitele preparate, iar rezultatele au fost comparate cu comportamentul silicei de tip MCM-41.

III.2. 1. Prepararea compozitelor pe bază de doxicilină

În această etapă doxiciclina a fost depusă în mezoporii compozitelor oxid de ceriu-silice, dar și pe o probă de silice MCM-41. Toate suporturile considerate s-au încărcat cu un conținut de 25% (gr.) doxicilină în hibrizii rezultați. Deoarece silicea MCM-41 are o valoare a suprafeței specifice mult mai mare decât compozitele pe bază de oxid de ceriu s-a preparat un compozit cu 40% doxiciclină, notat cu doxy@MCM-41.

Pentru adsorbția doxiciclinei s-a utilizat tehnica impregnării prin umectare incipientă după un protocol stabilit anterior [[22] R. A. Mitran; S. Nastase; C. Stan; A. I. Iorgu; C. Matei; D. Berger, Doxycycline encapsulation studies into mesoporous SBA-15 silica type carriers and its in vitro release, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference on Nano, Bio and Green: Technologies for Sustainable Future, vol. 1 2014, pp. 53-60. [23] R. A. Mitran; S. Nastase; L. Bajenaru; C. Matei; D. Berger, Mesostructured Aluminosilicates As Carriers For Doxycycline-Based Drug Delivery Systems, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference on Nano, Bio and Green: Technologies for Sustainable Future, vol. 1 2014, pp. 113-120]. Astfel, la 50 mg de suport s-a adăugat 0,5 mL soluție clorhidrat de doxiciclină, cu concentrația de 100 mg/mL, apoi amestecul a fost omogenizat și uscat în vid, la temperatura camerei, fiind protejat de lumină. Materialele hibride au fost notate cu ’’doxy/suport”.

Metoda impregnării prin umectare incipientă a fost aleasă ca procedură de depunere a medicamentului deoarece este rapidă, sigură și minimizează timpul de expunere a moleculelor de doxiciclină sensibile la lumină.

III.2. 2. Caracterizarea compozitelor pe bază de doxiciclină

Materialele compozite pe bază de doxicilină au fost caracterizate prin difracție de raze X la unghiuri mici și mari, spectroscopie FTIR și izoterme de adsorbție-desorbție a azotului (Quantachrome Aurosorb iQ2) înregistrate la temperatura azotului lichid, 77 K. Valorile suprafeței specifice au fost determinate prin metoda Brunauer-Emmet-Teller (BET) la presiunii relative 0.05-0.3 din ramura de adsorbție a izotermei, iar distribuția dimensiunii porilor pentru materialele preparate a fost calculată din ramura de desorbție cu ajutorul teoriei Barrett-Joyner-Halenda (BJH).

Prezența doxiciclinei în toate compozitele a fost evidențiată prin spectrosocopie FT-IR (Fig. ). În spectrele FTIR ale compozitelor sintetizate se pot observa vibrațiile medicamentului în domeniul 1700-1300 cm-1, dar și vibrațiile caracteristice suporturilor: Si-O-Si (1225, 1090, 465 cm-1) și Si-OH (966 cm-1).

Difractogramele de raze X la unghiuri mici și la unghiuri mari ale compozitelor pe bază de doxiciclină (Fig. ) indică faptul că moleculele de medicament sunt adsorbite în stare amorfă în mezocanalele suportului, datorită absenței reflexiilor Bragg caracteristice doxicilinei (Fig. ). Rețeaua ordonată a porilor se păstrează și după depunerea medicamentului, așa cum se poate observa din difractogramele de raze X la unghiuri mici pentru compozitele pe bază de doxiciclină (Fig.).

Fig. Spectrele FT-IR pentru: doxiciclină, MCM-CeO2, CeO2@MCM-41 și hibrizii cu doxiciclină

Fig. 5 Difracția de raze X la unghiuri mici a doxicilinei depusă pe suporți din compozite pe bază de oxid de ceriu. Insertul prezintă difracția la unghiuri mici a aceleiași probe

Izotermele de adsorbție-desorbție a azotului pentru compozitele pe bază de doxiciclină sunt de tipul IV, caracteristice materialelor mezoporoase (Fig. ). Toate probele conțin un procent semnificativ de macropori. Încorporarea medicamentului în mezocanale este susținută de reducerea volumului de pori și a valorilor suprafeței specifice ale compozitelor pe bază de doxiciclină (Tabelul ). Adsorbția medicamentului nu produce schimbări semnificative a dimensiunii medii a porilor, indicând interacțiuni slabe între suport și moleculele de doxiciclină.

Fig. 6 Izotermele de adsorpție-desorpție a hibrizilor pe bază de doxiciclină. Insertul arată distribuția mărimii porilor pentru materiale hibride

Tabel Parametrii texturali ai materialelor încărcate cu doxiciclină

III.2.3. Eliberarea doxiciclinei in vitro

Experimentele de eliberare in vitro s-au efectuat la 37°C, în soluție tampon de fosfat (PBS, pH 5.5- apropiat de pH-ul izoelectric al doxicilinei, deoarece medicamentul are cea mai mare stabilitate la acest pH (24. R. Injac; V. Djordjevic-Milic; B. Srdjenovic, Thermostability Testing and Degradation Profiles of Doxycycline in Bulk, Tablets, and Capsules by HPLC, Journal of Chromatographic Science, vol. 45 (9), 2007, pp. 623-628. ), sub agitare magnetică (150 rpm) pentru a simula condițiile biologice. Cantitatea corespunzătoare de hibrid pe care s-au depus 10 mg hiclat de doxiciclină a fost dispersată în 100 mL PBS. Periodic s-au prelevat probe, și s-au analizat prin spectroscopie UV-vis. Concentrația medicamentului a fost calculată folosind o curbă de calibrare anterior determinată.

Dizolvarea doxiciclinei la 37°C, pH 5.5 este aproape completă după 15 min (Fig. D). Eliberarea medicamentului din mezoporii suportului MCM-CeO2 sau ai silicei MCM-41 este mai lentă decât dizolvarea antibioticului pur, aproximativ 95% din conținutul de medicament din compozite este eliberat după 40 min. Interesant este că o cantitate mică de doxicilină conduce la un profil de eliberare rapidă (Fig. , curba E versus curba C), sugerând că difuzia din mezopori are loc cu o viteză limitată. Materialul compozit Doxy/MCM-CeO2 are o eliberare mai lentă față de celelalte compozite studiate (Fig. B). În cazul suportului de tip core-shell (Fig. A) cea mai mare parte din conținutul de medicament este eliberat în primele 2 minute, urmată de de o scădere treptată a concentrației de doxiciclină. Acest fenomen poate fi explicat prin adsorbția agentului terapeutic activ pe sau în apropierea suprafeței nanoparticulelor conducând la o eliberare aproape instantanee, deaorece difuzia medicamentului de-a lungul mezoporilor este redusă semnificativ. Ulterior scăderea concentrației de doxiciclină poate indica o readsorbție a medicamentului în mezocanalele suportului.

Fig.7 Eliberarea cumulativă a doxicilinei din forma de bază (A) și compozite (B) suporturi tip oxid de ceriu-silice, silice MCM-41 (C, E) și dizolvarea doxicilinei (D) la 370C, pH 5.5.

Parametrii modelului Weibull ce descriu datele experimentale de eliberare

Profilele de eliberare au fost fitate cu ajutorul funcției Weibull [25. K. Kosmidis; P. Argyrakis; P. Macheras, Fractal kinetics in drug release from finite fractal matrices, The Journal of Chemical Physics, vol. 119 (12), 2003, pp. 6373-6377.], un model cinetic bazat pe teoria percolației în spațiul fractal. Timpul de eliberare cumulativă F este expresia a doi parametri, funcții exponențiale de timp: F(t)/F(∞)= 1- exp(-atb), unde parametrul a reprezintă o mărime a vitezei de eliberare, în timp ce parametrul b indică ordonarea spațiului de difuzie, cu valori mai mari de ~0.69 indicând difuzia în spațiul Euclidian și valori scăzute ale difuziei în spațiul fractal [26. V. Papadopoulou; K. Kosmidis; M. Vlachou; P. Macheras, On the use of the Weibull function for the discernment of drug release mechanisms, International Journal of Pharmaceutics, vol. 309 (1–2), 2006, pp. 44-50.]. Parametrii modelului Weibull (Tabelul 2) arată că mecanismul de eliberare a moleculelor de antibiotic din mezoporii silicei și a compozitelor oxid de ceriu-silice corespund difuziei în spațiul fractal spre deosebire de dizolvarea doxiciclinei (difuzia în spațiul Euclidian).

Spre deosebire de silicea SBA-15 cu pori largi [27. R. A. Mitran; S. Nastase; L. Bajenaru; C. Matei; D. Berger, Mesostructured Aluminosilicates As Carriers For Doxycycline-Based Drug Delivery Systems, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference on Nano, Bio and Green: Technologies for Sustainable Future, vol. 1 2014, pp. 113-120.], creșterea fracției de medicament conduce la modificări ale mecanismului de difuzie al acestuia, care ar putea fi explicat prin micșorarea vitezei de difuzie a doxiciclinei și a solventului datorită reducerii volumului liber de mezopori. În ceea ce privește suportul mezoporos MCM-CeO2, se poate concluziona că procesul de difuziune al doxiciclinei este similar cu cel al hibridului pe bază de MCM-41.

III.2.4. Concluzii parțiale

S-au investigat două strategii de sinteză pentru obținerea de compozite mezoporoase de tip oxid de ceriu-silice pentru aplicarea acestora drept suporturi în sisteme cu eliberare controlată de medicamente: acoperirea nanoparticulelor de oxid de ceriu cu silice mezoporoasă de tip MCM-41 sau obținerea compozitelor într-o singură etapă. Doxiciclina a fost adsorbită pe suporturi de tip compozit oxid de ceriu-silice sau pe silice de tip MCM-41, iar materialele compozite rezultate precum și suporții anorganici s-au caracterizat prin difracție de raze X la unghiuri mici, respectiv mari, izoterme de adsorpție-desorpție de N2, spectroscopie FT-IR și microscopie electronică de baleiaj. Profilele de eliberare in vitro a doxiciclinei s-au obținut în soluție tampon de fosfat la pH=5,5, prin spectroscopie UV-VIS. Compozitul MCM-CeO2 prezintă cea mai mică viteză de eliberare, fiind potrivit ca suport pentru eliberarea controlată a doxiciclinei.

S-a constat că materialele mezoporoase pot fi utilizate ca matrici pentru obținerea de sisteme cu eliberare controlată a doxiciclinei. În particular, materialul hibrid cu conținut de 25% agent terapeutic și suport MCM-CeO2 prezintă cea mai bună cinetică de eliberare. S-a demonstrat că compozitele mezoporoase oxid de ceriu-silice de tip MCM-41 pot fi utilizate drept vehicule în sisteme cu eliberare controlată de medicamente.

III.3. Compozite pe bază de oxitetraciclină

În acest capitol se prezintă rezultatele originale legate de sinteza unor compozite mezoporoase silice-oxid de ceriu care au fost utilizate drept transportori în sisteme cu eliberare de medicamente, folosind ca moleculă model, oxitetraciclina.

Aceste sisteme complexe compozit anorganic-antibiotic au fost comparate cu probe obținute prin depunerea oxitetraciclinei în diferite concentrații pe mai multe tipuri de silice și aluminosilicați pentru a stabili influența suportului structural, a proprietăților texturale, a conținutului de aluminiu și, respectiv a oxidului de ceriu asupra cineticii de eliberare a medicamentului. De asemenea a fost studiată activitatea antimicrobiană împotriva a cinci specii clinice izolate de S. aureus și S. aureus ATCC 43300.

Moleculele de antibiotic au fost încărcate în mezocanalele suportului prin metoda impregnării prin umectare incipientă folosind o soluție apoasă concentrată de medicament. Atât transportorii cât și materialele incărcate cu medicament au fost investigate prin difracții la unghiuri mari și mici XRD, spectroscopie FTIR, izoterme de adsorpție/desorpție a N2 și TEM. S-a observat o cinetică de eliberare rapidă în cazul suporturilor din silice necalcinată și aluminosilicați, în timp ce un conținut mare de medicament conduce la o viteză de eliberare mică. Prezența aluminiului în silice, deasemnea, conduce la o viteză de eliberare scăzută. Testele antimicrobiene efectuate pe Staphylococus aureus izolat clinic arată că materialele încărcate cu oxitetraciclină conținând silice mesoporoasă de tip MCM-41 sau aluminosilicați inhibă dezvoltarea bacteriilor.

III.3.1. Prepararea materialelor încărcate cu oxitetraciclină

Încărcarea antibioticului în vehiculii de tip silice, silice-oxid de ceriu și aluminosilicați studiați a fost efectuată prin metoda impregnării prin umectare incipientă, care este o metodă eficientă, simplă și ușor de realizat în vederea obținerii de sisteme cu eliberare controlată. (Charnay et al., 2004), în special când ingredientul farmaceutic are stabilitate chimică și fotochimică scăzută, cum este cazul oxitetraciclinei (Doi and Stoskof, 2001). Conținutul de antibiotic în proba încărcată cu medicament a fost de 25% și, respectiv 33%(% de masă), probele fiind notate cu oxy@suport și respectiv oxy2@suport. Astfel, la o soluție de clorhidrat de oxitetraciclină (Sigma) cu concentrația 100 mg/mL, s-au adăugat 100 mg transportor anorganic, amestecul s-a omogenizat ușor și uscat în vid, timp de 12 h, la temperatura camerei, în întuneric. Probele rezultate au fost notate astfel: oxy(conținut %gr.)@suport.

III.3.2. Caraterizarea materialelor

Probele încărcate cu oxitetraciclină au fost caracterizate prin spectroscopie FTIR (spectrometru Bruker Tensor 27), difracție de raze X la unghiuri mici și mari (difractometru Rigaku Miniflex II) și izoterme de adsorpție/desorpție a N2 efectuate la 77 K (porozimetru Quantachrome Autosorb iQ2).

Valorile ariilor suprafețelor spe cifice, SBET au fost determinate din ramura de adsorpție a izotermei folosind metoda Brunauer-Emmett-Teller (BET) în limite ale presiunii relative de 0.1-0.3, curba distribuției dimensiunii porilor și media diametrului porilor, dBJH, au fost calculate cu ajutorul metodei Barrett-Joyner-Halenda (BJH) din ramura de desorpție a izotermei, și volumul total al porilor determinat la o presiune relativă P/P0 = 0.9990.

Spectrele UV-vis au fost obținute cu ajutorul unui spectrofotometru USB Ocean Optics 4000.

Prezența moleculelor de oxitetraciclină în porii suporturilor anorganice a fost indicată prin spectroscopia FT-IR. În spectrele FT-IR ale probelor pe care s-a depus oxitetraciclină s-au observat benzi de vibrație care aparțin suportului, precum și unele benzi specifice medicamentului: 2850 – 2950 cm-1 atribuite ϑas,s (CH), 1590-1650 cm -1 atribuite deformării grupărilor amidă și 1310-1410 cm-1 asociate grupărilor fenol, suprapuse peste vibrațiile caracteristice matricilor de tip silice sau aluminosilicați. (Socrates, 2001). (Fig. B).

Fig. Spectrele FTIR ale probelor încărcate cu oxitetraciclină

În difractogramele de raze X la unghiuri mari ale compozitelor de tip silice-oxid de ceriu se pot vedea doar picurile de difracție caracteristice dioxidului de ceriu ceea ce demonstrează că moleculele de antibiotic au fost adsorbite în mezoporii suportului în stare amorfă. Așa cum era de așteptat, în cazul tuturor probelor încărcate cu medicament, lipsa liniilor de difracție ale medicamentului sugerează că nu este prezentă oxiteraciclină cristalină pe suprafața transportorului anorganic.

Materialele de tip MCM-41 încărcate cu oxitetraciclină prezintă pori ordonați hexagonali așa cum demonstrează și difracția de raze X la unghiuri mici. (Fig. 5A). Difracțiile la unghiuri mici ale probelor încărcate cu medicament pe suporți de tipul MCM-48 sau MCM-48G arată că moleculele de antibiotic încărcate conduc la sisteme mai puțin ordonate pentru ambele tipuri de vehicule de tip MCM-48 cu pori de formă cubică (Fig. B). Difracțiile la unghiuri mari nu prezintă picuri care să arate că ar exista fază cristalină pe suprafața matricilor anorganice.(Fig.), moleculele de oxitetraciclină fiind adsorbite în mezoporii suportului în stare amorfă.

(a)

(b)

Fig. (a) și (b) Modele de difracții la unghiuri mari pentru suporturi reprezentative încărcate cu oxitetraciclină și oxitetraciclină

Analizele de adsorpție ale azotului arată o scădere semnificativă a porozității cauzată de adsorpție moleculelor de medicament în mezoporii suporților (Fig. a), atât valorile ariei suprafeței specifice cât și valorile volumului total al porilor fiind diminuate în comparație cu cele corespunzătoare suporților. (Tabelul ). Media dimensiunii porilor pentru materialele încărcate cu medicament este deasemenea mai scăzută decât pentru suporți (Tabelul și Fig B).

Aceste fapte pot fi explicate fie prin adsorbția moleculelor de antibiotic în mezoporii suporților sau prin interacțiunile dintre ingredientul activ farmaceutic și matricea anorganică.

Picul corespunzător dimensiunii porilor de aprox. 4 nm este un artifact corespunzător loop-ului de histerezis cauzat de desorpția bruscă a azotului la P/P0 = 0.42 (Janssen et al., 2002). Tabelul prezintă proprietățile textural ale materialelor încărcate cu medicament.

Fig. Izotermele de adsorbție-desorbție pentru suporții sintetizați și probele încărcate cu medicament (A) și distribuția corespunzătoare a dimensiunii porilor (B)

(A)

(B)

Fig. Izoterme de adsorpție-desorpție ale materialelor încărcate cu oxitetraciclină (A) și curbele distribuției mărimii porilor calculate cu modelul BJH din ramura de desorpție a izotermei (B)

Parametrii texturali ai materialelor reprezentative încărcate cu oxitetraciclină

S-a observat o ușoară scădere a dimensiunii medii a porilor ceea ce înseamnă că există o interacțiune slabă între moleculele de medicament și matricea anorganică (Fig. B)

III.3.3. Evaluarea activității antimicroniene

Activitatea antimicrobiană a materialelor încărcate cu oxitetraciclină și a oxitetraciclinei a fost evaluată calitativ pentru tulpini clinice și tulpini de referință (S. aureus ATCC 43300, BioMérieux) folosite pentru control în fiecare experiment. Un număr de cinci celule izolate clinic de S. aureus, notate convențional SA1-SA5, au fost identificate și izolate utilizând protocoalele clasice ale microbiologiei pentru microbi patogeni. Tulpinile clinice au fost izolate și procurate de la Laboratorul de Microbiologie al Institutului de Sănătate Publică din Constanța, România.

Tulpinile bacteriale clinice (SA1-SA5) și tulpinile de referință (S. aureus ATCC 43300) au fost crescute peste noapte în Tryptone Soy Broth (TSB) (Sigma Aldrich) (Enzime digestive din cazeină, 17.0 g/L; Enzime digestive din făină de soia, 3.0 g/L, clorură de sodiu, 5.0 g/L, fosfat acid de potasiu, 2.5 g/L, dextroză, 2.5 g/L, pH final 7.3±0.2șC), diluată la 5×105CFU/mL și inoculate în tăvițe agar Mueller-Hinton (MHA, Oxoid).

Din compușii sintetizați s-au obținut prin presare în matrițe sterile din plastic stropite cu apă distilată (pentru a crește aderența particulelor) discuri martor sterile cu diametru de 6 mm diametru și înălțime 0,05 mm (30 mg/disc).

După scoaterea acestora din tipare, discurile au fost distribuite pe suprafața tulpinii inoculate cu medii bacteriene într-un vas Petri.

Distanța minimă dintre discuri și de la muchia plăcii a fost de 30 mm și, respectiv 15 mm.

Turbiditatea recomandată a inoculilor este de 0,5 pe scara McFarland (0,5 ml de 0,048 M
BaCI2; 99,5 ml de 0,18 M H2SO4) și a fost verificată cu ajutorul unui
spectrofotometru la λ=625 nm. După 15 minute de la aplicarea pe disc, bacteriile au fost incubate la 35°C±1șC timp de 18±2h. Rezultatele activității antimicrobiene (diametrul măsurat al zonei clare în milimetri), s-au desfășurat în conformitate cu Procedura standard (Clinical and Laboratory Standards Institute, 2012) și marcate utilizând un convențional + /-/ 0 sistem.

III.3.4. Studii de eliberare in vitro

Experimentele de eliberare in vitro s-au efectuat în soluție tampon de fosfat (PBS, pH 5.7) la 37°C, sub agitare magnetică (150 rpm). O cantitate de probă încărcată cu oxitetraciclină conținând 12.5 mg medicament a fost suspendată în 90 mL PBS. Periodic, au fost recoltate probe, diluate corespunzător și analizate prin spectroscopie UV-VIS (Spectometru Ocean Optics USB 4000). Oxitetraciclina prezintă stabilitate fotochimică și chimică reduse, în special în soluție bazică și este foarte solubilă în apă.

Profilele de eliberare ale oxitetraciclinei sunt reprezentate în Fig. ca eliberări cumulative ale medicamentului (raportul între cantitatea de oxitetraciclină eliberată la același timp și cantitatea totală de medicament încărcat, %) funcție de timp. Se observă o eliberare completă a moleculelor medicamentului din toți suporții.

Pentru toate suporturile utilizate, medicamentul s-a eliberat complet, toate profilele de eliberare prezentând un efect „burnst”.

Eliberările medicamentului din mezoporii compozitelor silice-dioxid de ceriu au fost mai lente decât în cazul silicei de tip MCM-41. Conțintul ridicat de grupări silanol ale probei de silice necalcinată MCM-41E a determinat o cinetică de eliberare mai lentă în comparație cu suportul MCM-41 calcinat, probabil datorită formării legăturilor de hidrogen dintre moleculele de oxitetraciclină și MCM-41E. Anterior, am raportat un comportament similar pentru doxicilină care are o cinetică de eliberare mai lentă pentru MCM-CeO2(1) decât în cazul silicei MCM-41 [15].

Toate materialele încărcate cu oxitetraciclină conținând atât vehicule tip silice cât și aluminosilicați prezintă un profil de eliberare cu un pronunțat effect de burst, după eliberarea a cca 60% din cantitatea de medicament eliberată în primele zece minute ale experimentului, urmată de o eliberare graduală ade până la 3 h. S-a observant o cinetică de eliberare mai rapidă a oxitetraciclinei din silicea necalcinată (Fig. B) și suporții de tip aluminosilicat (Fig. A), în timp ce un conținut mai ridicat de medicament în support conduce la o cinetică mai lentă. Un conținut ridicat de aluminiu în matricea de tip MCM-41 conduce la o viteză mai lentă de eliberare a medicamentului, iar funcționalizarea cu grupe metil a aluminosilicaților are deasemenea o viteză de eliberare mult încetinită în prima oră de experiment (Fig. A), datorată probabil naturii hidrofobe a grupărilor organice. Geometria cubică a porilor caracteristică silicei de tip MCM-48 nu favorizează o eliberare graduală a medicamentului, fiind observată o cinetică mai rapidă decît în cazul eliberării oxitetraciclinei de pe suporți de tip MCM-41 (Fig. B).

Fig. Profilele de eliberare cumulate ale oxitetraciclinei din compozite silice – oxid de ceriu comparativ cu MCM-41

(A)

(B)

Fig. 8. Profilul de eliberare al oxitetraciclinei din suporturi de aluminosilicați (A) și de tip silice (B)

Datele de eliberare experimentale au fost fitate cu aplicația Weibull (Ec. 1), funcție de doi parametri exponențiali aplicată de obicei la analiza dizolvării medicamentelor și studii de eliberare.

M(t)/M(∞) = 1 – exp (-atb) (ec. 1)

Unde M(t) reprezintă masa de medicament eliberată până la timpul t, iar M(∞) este cantitatea totală de medicament din proba inițială încărcată cu medicament, parametrul a este în strânsă legătură cu aria suprafeței specifice prin care are loc difuzia, iar b indică mecanismul de transport al medicamentului, cu valori scăzute pentru mediu dezordonat. Valori ale lui b mai mici de 0.75 indică un mecanism de difuzie Fickian, în timp ce valori mari corespund unei eliberări non-Fickiene a moleculelor biologic active (Martinez et al., 2009). Deoarece toate profilele de eliberare prezintă un effect burst (aprox. 60% din medicament se eliberează în primele zece min), funcția Weibull a fost aleasă pentru fitarea datelor experimentale în scopul descrierii profilului de eliberare al medicamentului, spre deosebire de modelul Korsmeye – Peppas care poate fi aplicat pentru primii 60% din medicamentul eliberat. (Papadopoulou et al, 2006). Pentru toate probele încărcate cu medicament valorile parametrului b sunt mai mici de 0.75 sugerând o difuzie Fickiană a moleculelor de oxitetraciclină din suporții de tip silice și aluminosilicați cu excepția MCM-48G pentru care valoarea lui b indică un mecanism de transport al moleculelor de antibiotic complex. (Tabelul ).

Parametrii obținuți din fitarea datelor experimentale cu ajutorul modelului Weibull

III.3.5. Activitatea antimicrobiană

Activitatea antimicrobiană a materialelor incărcate cu oxitetraciclină conținând vehicule de tip silice și aluminosilicați a fost testată cu ajutorul a cinci specii izolate clinic de S. aureus (SA1-SA5) și o referință ATCC 43300. Probele încărcate cu oxitetraciclină conținând suporți de tip MCM-41 au prezentat o sensibilitate semnificativă împotriva S.aureus ATCC 43300, similar cu oxitetraciclina, în timp ce o o activitate antimicrobiană scăzută a fost observată la proba cu oxitetraciclină încărcată pe MCM-48. (Tabelul 4). Acest comportament antimicrobian demonstrează că oxitetraciclina încărcată pe silice de tip MCM-41 inhibă dezvoltarea S. aureus izolat clinic, efectul fiind similar sau chiar mai bun decât al antibioticului simplu. Efect inhibitor mult mai intens împotriva S. aureus 43300 a fost observat pentru MCM-41E (Φ = 39 mm),în timp ce pentru medicamentul încărcat pe AlMCM-41 (40) commercial media diametrului de inhibiție măsurat (Φ = 31 mm) are valori mai scăzute.

Activitatea antimicrobiană a materialelor încărcate cu oxitetraciclină

Unde + reprezintă sensibilitate scăzută (diametrul măsurat al suprafeței clare este ˂10 mm)

++ reprezintă sensibil (diametrul măsurat al suprafeței clare este cuprins între10 și 15 mm)

+++ reprezintă sensibilitate distinctă (diametrul măsurat al suprafeței clare este cuprins între 15 și 25 mm)

++++ reprezintă sensibilitate semnificativă (diametrul măsurat al suprafeței clare este ≥ 30 mm)

III.3. 6. Concluzii parțiale

În concluzie, moleculele de antibiotic au fost adsorbite în mezoporii materialului anorganic în stare amorfă. Cineticile de eliberare au fost mai lente pentru compozitele silice-dioxid de ceriu decît pentru silicea de tip MCM-41, pentru toate suporturile utilizate antibioticul fiind complet eliberat în 150 min pentru compozitele silice-oxid de ceriu și în 60 min pentru MCM-41

În ceea ce privește matricea de silice, proba necalcinată determină o eliberare mai lentă a medicamentului decât suportul MCM-41 calcinat.

Am angajat o serie de silice de tip MCM și aluminosilicați cu proprietăți texturale și structural diferite pentru obținerea sistemelor cu eliberare controlată de oxitetraciclină.

Suporții de silice și aluminosilicați își păstrează mezostructura în timpul încărcării cu antibiotic și pot funcționa ca rezervoare pentru moleculele de antibiotic.

Oxitetraciclina a fost complet îndepărtată din toți suporții mezoporoși de tip silice și aluminosilicați, iar profilele de eliberare au prezentat un puternic efect burst, urmat de o eliberare graduală. S-a observant o cinetică rapidă de eliberare pentru moleculele de antibiotic din suporții de silice necalcinată și aluminosilicați, în timp ce un conținut mare de medicament în materialele încărcate cu oxitetraciclină arată o viteză de eliberare scăzută.

Materialele încărcate cu oxitetraciclină conținând silice tip MCM-41 sau aluminosilicați demonstrează activitate antibacterială împotriva a șase specii de S. aureus (cinci specii isolate clinic și referința ATCC 43300), iar efectul inhibitor este similar cu cel al antibioticului simplu și mai mare decât pentru probele încărcate pe MCM-48.

S-a demonstrat͚ că materialele de tip silice MCM-41 și aluminosilicații sunt transportori mai buni pentru oxitetraciclină decât silicea MCM-48.

III.4. Compozite pe bază de ketoprofen

Ca vehicul, silicea mezoporoasă cu rețea ordonată de pori poate exista drept component majoritar în compozite anorganice sau materiale hibride, în scopul de a proiecta materiale funcționale avansate, care însumează avantajele ambelor componente ale compozitului. Am raportat în lucrări anterioare sinteza compozitelor MCM-CeO2 (1) [19], AlMCM-41(51) [20], MCM-41E, MCM(C14) [20] și MCF [21], utilizate ca sisteme cu eliberare controlată de medicamente.

În continuare se prezintă rezultatele originale legate de utilizarea mai multor tipuri de silice: MCM-CeO2 (1), MCM-41E, MCM-41(C14), MCM-41 APTES, MCF, MCF APTES și AlMCM-41 în sisteme cu eliberare controlată de ketoprofen.

Fig. 1 Structura chimică a ketoprofenului

Adsorbția medicamentului pe suporți s-a realizat prin metoda impregnării prin umectare incipientă, utilizând ca solvent pentru agentul terapeutic 2-propanolul.

Atât transportorii mezoporoși, cât și probele compozite ce conțin medicamente au fost caracterizate prin următoarele tehnici: XRD la unghiuri mari și mici, spectroscopie FTIR și izoterme de adsorbție – desorbție ale N2 înregistrate la temperatura azotului lichid.

Profilele de eliberare ale medicamentelor au fost determinate prin spectroscopie UV-vis, cu ajutorul spectrofotometrului UV-Probe în fluid intestinal simulat (SBF ionic) cu pH=7.4. [28.M. R.C. Marques, R. Loebenberg, M. Almukainzi, Simulated Biological Fluids with Possible Application in Dissolution Testing, Dissolution Technologies, 18(3):15-28, august 2011]

III.4.1. Adsorbția ketoprofenului în mezoporii suporturilor de silice sintetizate

Pentru depunerea medicamentului s-au utilizat metoda impregnării prin umectare incipientă folosind o soluție de medicament în 2-propanol.

Prin urmare, la o soluție de ketoprofen în izopropanol de concentrație 30 mg/mL, s-au adăugat 100 mg silice mezoporoasă, amestecul s-a omogenizat ușor și uscat în vid, timp de 12 h, la temperatura camerei, în întuneric. Probele rezultate au fost notate astfel: keto20%@MCM-CeO2 10%, keto20%@MCM-41E, keto20%@MCM(C14), keto20%@MCF, keto40%@MCF și keto20%@AlMCM-41.

Medicamentul se leagă în interiorul mezoporilor suportului de gruparea 3-aminopropil conform schemei de mai jos:

Fig. Adsorbția ketoprofenului pe silicea de tip MCM-APTES [13]

Experimentele de eliberare in vitro s-au efectuat prin dializă, la 37°C, sub agitare magnetică (150 rpm). Pentru simularea fluidelor biologice s-a utilizat o soluție tampon de SBF ionic cu pH 7.4 , obținută după rețeta de mai jos:

8.035 g clorură de sodiu, 0.355 g bicarbonat de sodiu, 0.225 g clorură de potasiu, 0.231 g fosfat dibazic de potasiu trihidrat, 0.311 g clorură de magneziu hexahidrat, 39 mL acid clorhidric 1M, 0.387 g clorură de calciu dihidrat, 0.072 g sulfat de sodiu și 6.118 g tri(hidroximetil) aminometan. Se agită până la dizolvare completă și se completează cu apă bidistilată până la 1L.

O cantitate de compozit pe bază de ketoprofen ce conține 10 mg medicament a fost introdusă intr-o membrană de dializă și suspendată în 90 mL SBF. Periodic, au fost recoltate probe, diluate corespunzător și analizate prin spectroscopie UV-VIS.

III.4.2. Caracterizarea hibrizilor pe bază de ketoprofen

Compozitele ce conțin ketoprofen au fost caracterizate prin spectroscopie FTIR (spectrometru Bruker Tensor 27), difracție de raze X la unghiuri mici și mari (difractometru Rigaku Miniflex II) și izoterme de adsorbție/desorpție a N2 efectuate la 77 K (porozimetru Quantachrome Autosorb iQ2).

Spectrele FTIR ale suporților și compozitelor cu ketoprofen

Spectrele FTIR au fost efectuate folosind tehnica cu pastilă de KBr, în intervalul 4000 – 400 cm-1. Prezența moleculei de ketoprofen în porii suporturilor anorganice a fost indicată prin spectroscopia FT-IR. (Fig. )

Astfel, s-au observat benzi de vibrație care aparțin suporturilor de silice: vibrația de întindere de intensitate mare asimetrică și de intensitate medie simetrică de la 1085 cm-1 și, respectiv, 800 cm-1 ale legăturilor Si-O-Si, de la 960 cm-1 indicând prezența grupărilor silanol și de la 460 cm-1 atribuite benzilor de deformare ale Si-O (Fig. ) suprapuse peste benzile foarte intense ale legăturilor Ce-O (în cazul MCM-CeO2 (1)). (Fig. a)

Banda de la 804 cm-1 poate fi atribuită vibrațiilor de întindere simetrice din legăturile Si-O-Al suprapuse cu vibrațiile de deformare (γ) specifice grupelor OH din Al-OH, iar banda de la 570 cm-1 poate fi asociată cu δ(Al-O) (în cazul AlMCM-41).(Fig. a)

În cazul compozitelor pe bază de ketoprofen sunt prezente benzi specifice medicamentului: 2500-3300 cm-1 atribuite vibrațiilor νOH și benzilor caracteristice grupărilor carboxil, 1720 cm-1 asociate grupărilor Aril-COOH, 1665 cm-1 asociate vibrațiilor νc=o din grupările Aril-CO-Aril. (Fig. 3b).

Din spectrul FTIR al probei MCM-APTES se pot observa vibrațiile caracteristice grupării aminice de la 3445 cm-1 (νs(NH)) si 1535 cm-1 (δ(NH2), precum si benzile caracteristice lanțului propilic de la 1470 cm-1 (δ(CH2)), 2930 cm-1 (νas(CH)), 2855 cm-1 (νs(CH)), respectiv 695 cm-1 (γ(CH2)).(Fig. 4b, c)

a)

b)

(c)

Fig. Comparație între spectrele FTIR ale suporților și ale hibrizilor acestora cu ketoprofen: a) MCM-CeO2 (1) și AlMCM-41, b) MCM-41E și MCM-41APTES, c) MCF și MCF APTES

Difracția de raza X la unghiuri mici și mari ale hibrizilor cu ketoprofen

Rezultatele difracției de raze X la unghiuri mici au demonstrat conservarea rețelei de pori ordonate. Compozitele pe bază de ketoprofen fie că se utilizează silice de tip MCM-41, fie că silicea conține nanoparticule de oxid de ceriu, ioni de Al3+ sau grupe polare aminopropil prezintă reflexiile Bragg caracteristice silicei de tip MCM-41. Lipsa benzilor caracteristice ketoprofenului pe difractogramele la unghiuri mari ale compozitelor pe bază de ketoprofen indică faptul că medicamentul s-a adsorbit în totalitate în porii compozitelor, în stare amorfă și nu a cristalizat pe suprafața silicei. În cazul difracțiior de raze X la unghiuri mici se poate observa că hibridul keto20%@MCM-41 are intensitate mai mare în comparație cu ceilalți hibrizi, deoarece intensitatea razelor difractate este influențată de gradul de ordonare al porilor (cu cât porii sunt mai ordonați cu atât intensitatea picului este mai mare). Prezența ionilor de Al3+ și a nanoparticulelor de oxid de ceriu duce la o scădere a intensității picului de difracție (Fig. ), iar în cazul keto20%@MCF APTES se observă o intensitate mai mare comparativ cu ceilalți hibrizi, întrucât dimensiunea porilor este mult mai mare chiar și după funcționalizare.

(b)

Fig. 5. Difracții de raze X la unghiuri mici (a) și la unghiuri mari (b) a hibrizilor cu ketoprofen.

Izotermele de adsorbție-desorbție ale suporților și hibrizilor cu ketoprofen

Valorile suprafeței specifice SBET au fost calculate folosind metoda Brunauer-Emmett-Teller în domeniul presiunilor relative cuprinse între 0.05 și 0.30, iar distribuția dimensiunilor porilor a fost determinată prin metoda Barett-Joyner-Halenda din ramura de desorbție a izotermei, toate probele prezentând distribuție unimodală (Fig. 6). Parametrii texturali (suprafața specifică, SBET, volumul total al porilor, Vp, și diametrul mediu al porilor, dBJH) determinați din izotermele de adsorbție-desorpție sunt prezentate în Tabelul .

Din tabelul se poate observa că suporții au suprafețe specifice mari (500-900 m2g-1) și valori ale volumului mezoporilor (Vmezopori=0.51-2.49 cm3g-1) relativ ridicate, ce corespund aplicării acestora drept vehicule pentru princii active farmaceutice. În ceea ce privește dimensiunea porilor este de notat o ușoară scădere a acestora la introducerea ionilor de Al3+ și a nanoparticulelor de oxid de ceriu și mult mai semnificativă la funcționalizarea cu APTES. Silicea de tip MCF0.5 are pori de aproximativ cinci ori mai mari decât silicea de tip MCM-41. După funcționalizare se observă o scădere ușoară a dimensiunii porilor, dar prezintă caracteristicile unei silice mezoporoase pentru depunere de medicament.

Tabelul 2. Proprietățile structurale ale suporților și hibrizilor cu ketoprofen

Toate suporturile mezoporoase prezintă izoterme de adsorbție/desorbție de tipul IV, caracteristice materialelor mezoporoase, porozitatea totală a hibrizilor fiind mult mai mică comparativ cu cea a suporturilor simple datorită încărcarii cu medicament.

Izotermele de adsorbție/desorbție ale N2 pentru compozitele pe bază de ketoprofen, au arătat o scădere a porozității, manifestată prin valori mai mici ale suprafeței specifice, SBET și ale volumului mezoporilor, VP față de cea a suporturilor corespunzătoare (Fig. A), ceea ce demonstrează că medicamentul s-a depus în porii suporturilor, iar compozitele păstrează proprietățile texturale ale materialelor mezoporoase. (Fig. B)

a)

b)

c)

Fig. Izoterme de adsorbție-desorbție ale N2 la 77k pentru: a) hibrizii cu ioni de Al și nanoparticule de oxid de ceriu,

b) hibrizii cu silice de tip MCM-41E, MCM(C14) și MCM-41 APTES, c). Hibrizii cu silice de tip MCF și MCF APTES

Analize termice

Probele funcționalizate cu grupări 3-aminopropil au fost supuse analizei termice utilă în aceste cazuri pentru a determina numărul de grupări aminopropil legate de suprafața porilor.

Numărul de grupări aminopropil legate de suprafața porilor, în cazul MCF-ului s-a determinat prin analiza termică ca fiind în raport molar SiO2/APTES = 1/0.14

Profilele de eliberare in vitro ale ketoprofenului

Determinarea experimentală a profilelor de eliberare in vitro ale ketoprofenului s-au efectuat în 90 mL fluid biologic simulat, soluție de SBF ionic, pH= 7,4, la 37°C, sub agitare magnetică constantă 150 rpm, timp de 24h. Pentru o mai bună acuratețe a metodei s-a optat pentru utilizarea unei membrane de dializă, iar pentru evaluarea cineticii de desorbție, la intervale predeterminate de timp s-au prelevat probe care au fost analizate prin spectroscopie UV-vis.

Pentru a verifica dacă medicamentul s-a desorbit complet de pe suportul mezoporos, după eliberare, probele s-a analizat prin spectroscopie FTIR.

Lipsa benzilor de vibrație caracteristice medicamentului într-o probă după eliberare au indicat faptul că desorbția substanței organice este totală/parțială în concordanță cu datele de spectroscopie UV-vis.

Fig. 7 Spectrele FTIR ale suporților după desorbția ketoprofenului în SBF ionic

Profilele de eliberare in vitro ale ketoprofenului reprezentate ca fracția de medicament eliberată în funcție de timp (min) sunt prezentate în Fig. 8.

Fig. Desorbția ketoprofenului de pe silice cu ioni de Al și, respectiv, cu nanoparticule de oxid ceriu

Desorbția ketoprofenului din compozite cu silice ce conține ioni de Al și nanoparticule de oxid de ceriu prezintă un efect de „burst”, eliberarea având loc 100% în cazul keto20%@AlMCM-41, după 150 min și, respectiv, 90% pentru keto20%@MCM-CeO2 (1), după 60 min. Se observă o îmbunătățire a solubilizării ketoprofenului, care se dizolvă complet după 250 min în SBF IONIC, pH = 7.4.

Fig. Desorbția ketoprofenului de pe silice MCM-41 și, respectiv, MCM-41 APTES

Tabelul. Fracția de ketoprofen eliberat și timpul de desorbție al ketoprofenului de pe suporții analizați

Experimentele de eliberare in vitro arată o cinetică de eliberrae rapidă pentru suporții simpli în funcție de dimensiunile porilor, în timp ce grupele aminopropil legate pe suprafața silicei conduc la o cinetică de eliberare mult mai lentă.

Fig. 11 Desorbția ketoprofenului de pe silice MCF0.5 și, respectiv, MCF0.5 APTES

Pentru cei doi hibrizi cu ketoprofen și MCF0.5 eliberarea a avut loc în aproximativ 120 min, în procent de 85-90%. Pentru MCMF0.5 APTES desorbția ketoprofenului de pe suport a avut loc în proporție de 70%, prezentând efectul de „burst” în 120 min ca și suportul nefuncționalizat.

Datele de eliberare au fost fitate cu ajutorul modelului Weibull, folosind ecuația:

y = 100*(1-exp(-(k*x)^a)) (ec. 2)

Tabelul 3. Parametrii modelului Weibull ce descriu datele experimentale de eliberare a ketoprofenului

Parametrii rezultați în urma fitării datelor de desorbție ale ketoprofenului sunt prezentate în Tabelul 3.

Profilele de eliberare au fost fitate cu ajutorul funcției Weibull, un model cinetic bazat pe teoria percolației în spațiul fractal. Timpul de eliberare cumulativă F este expresia a doi parametri, funcții exponențiale de timp: F(t)/F(∞)= 1- exp(-kta), unde parametrul k reprezintă o mărime a vitezei de eliberare, în timp ce parametrul a indică ordonarea spațiului de difuzie, cu valori mai mari de ~0.69 indicând difuzia în spațiul Euclidian și valori scăzute ale difuziei în spațiul fractal. Parametrii modelului Weibull (Tabelul 3) arată că mecanismul de solubilizare a moleculelor de ketoprofen în SBF ionic pH = 7.4 și cel al eliberării ketoprofenului din hibrizii keto20%@MCM-CeO2 (1), keto20%@AlMCM-41, keto20%@MCM-41E și keto20%@MCM(C14) corespund difuziei în spațiul fractal spre deosebire de mecanismul desorbției ketoprofenului de pe MCM-41 APTES, MCF și MCF APTES (difuzia în spațiul Euclidian).

III.4.3. Concluzii parțiale

Materialele mezoporoase pe bază de silice pot acționa ca rezervoare pentru ketoprofen datorită porozității mari.

Prezența grupelor aminopropil încetinește eliberarea medicamentului datorită interacțiunilor acid-bază dintre moleculă și suport.

Dimensiunile mici ale porilor și conținutul ridicat de medicament favorizează o cinetică de eliberare lentă.

Prin modificarea proprietăților suprafeței și dimensiunii porilor suporturilor mezoporoase poate fi controlată eliberarea ketoprofenului.

III.6. Concluzii