Амінофункційні поліестери природніх двоосновних амінокислот і поліетердіолів (стр. 1 )

Міністерство освіти і науки україни

Національний університет "Львівська політехніка"

Варваренко Сергій Миколайович

УДК 541.64, 541.64.057, 615.462-036.5

Амінофункційні поліестери природніх двоосновних амінокислот і поліетердіолів

02.00.06 - хімія високомолекулярних сполук

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора хімічних наук

Львів-2014

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі органічної хімії Національного університету "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант -	доктор хімічних наук, професор Воронов Станіслав Андрійович, Національний університет "Львівська політехніка", завідувач кафедри органічної хімії
Офіційні опоненти:	доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Рябов Сергій Володимирович, Інститут хімії високомолекулярних сполук Національної академії наук України, завідувач відділу модифікації полімерів доктор хімічних наук, професор Сиромятніков Володимир Георгійович Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри хімії високомолекулярних сполук, м. Київ. доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Аксіментьєва Олена Ігорівна, Львівський національний університет імені І. Франка, головний науковий співробітник кафедри фізичної та колоїдної хімії.

Захист відбудеться 06 червня 2014 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.01 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, м. Львів, пл. Св. Юра 3/4, корпус 8, аудиторія 240).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, в)

Автореферат розісланий «05» травня 2014р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 35.052.01 Будішевська О. Г.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Важливою тенденцією у розвитку сучасної хімії полімерів є пошук можливостей отримання матеріалів з новими властивостями для потреб медицини. Конструювання таких полімерних матеріалів дозволяє створювати нові засоби доставки терапевтичних препаратів, забезпечити пролонгований захист ліків та активних речовин від гідролітичної дії середовища та імунної атаки організму і суттєво впливати на фармокінетику лікувальних засобів. Здатність до самоорга­нізації макромолекул та утворення дисперсних систем з градієнтом гідрофільно-ліпофільних властивостей, забезпечують надання водорозчинності солюбілізованим терапевтичним препаратам.

Серед полімерних матеріалів, як основи сучасних систем доставки особли­ву увагу привертають кополімери поліоксиетилену та поліоксипропілену (Pluro­nics), як такі, що відповідають сучасному рівню вимог до полімерних компонентів систем транспорту ліків. Однак відсутність деградабельності та складність функціоналізації таких полімерів в значній мірі обмежує їх ефективність і спонукає до пошуків нових полімерних носіїв.

В останній час є багато повідомлень про розробку полімерних наносистем доставки але тільки невелика їх кількість (біля десяти) пройшла клінічні випробування за рекомендацією FDA (USA Food and Drug Administration). Важливим є те, що полі­мер­на основа апробованих носіїв, в більшості випадків (80%), включає блокко­полімери на основі похідних поліетиленгліколю та поліамінокислот. В звязку з цим, особливий інтерес представляє новий клас полімерів – амінофункційні кополіес­тери природніх α-амінокислот та поліетердіолів, які отримали назву «псевдополі­амінокислоти». На відміну від поліамінокислот вони не сприймаються організмом, як фрагменти білка і тому не спричиняють відповідної реакції (чужий білок).

Концепція створення поліестерів на основі поліетердіолів та природних двоосновних амінокислот об’єднує основні переваги полімерів типу «Pluronics» та унікальні властивості амінокислот: біосумісность, нетоксичність, хімічну і струк­турну різноманітність, просте вивільнення продуктів деградації. За цим підходом, використовуючи модифікацію аміногруп у складі макромолекул можна регулювати їх колоїдно-хімічні властивості, а також ковалентно закріплювати ліки, маркери або біологічно-активні молекули у макромолекулі носія. Варіюючи хімічну будову мономерних ланок можна ефективно керувати процесами молекулярної самоагре­гації та одержувати ієрархії наносистем для використання їх як нано - та мікрокон­тейнери цільового транспорту ліків.

На сьогодні ефективного методу синтезу поліестерів амінокислот не існує. Застосування реакції Стегліха (низькотемпературної естерифікації) для синтезу поліестерів з використанням природних двоосновних a-амінокислот глутамі­нова/аспарагінової в літературі не описано. Створення нового методу відкриває можливості синтезу макромолекул кополіестерів з певною структурою та властивостями для формування полімерних систем доставки.

Таким чином, проблема створення нових амфіфільних біодеградабельних амінофункційних поліестерів здатних до утворення самостабілізованих водних дисперсій для використання як полімерних носіїв у засобах доставки ліків та розробка методыв їх синтезу є важливою і актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі органічної хімії Інституту хімії і хімічних технологій Національного університету "Львівська політехніка" і є частиною досліджень з тем: "Конструю­вання багатофазних полімерних систем з використанням гетерофункційних полі­пероксидів для створення композиційних полімер-полімерних та біосумісних матеріалів" () держ. реєстр. № 000U001169; «Формування полімерних гідрогелів, прищеплених до поверхонь для біомедичного застосування» () держ. реєстр. № 000U002305. «Полімерні гідрогелеві біоматеріали для констру­ювання дисперсних та планарних систем доставки ліків та інженерії тканин» () держ. реєстр. № 000U001096. «Конструювання тераностиків на основі макромолекул псевдополіамінокислот для моніторингу доставки та вивільнення терапевтичних препаратів» () держ. реєстр. № 000U003183. Автор дисертаційної роботи є одним з виконавців тем.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є розроблення наукових і практичних основ синтезу нового класу амфіфільних біодеградабельних аміно­функційних поліестеретерів з комплексом відповідних властивостей, через низько­температурну незворотню кополіестерифікацію природних двоосновних α-аміно­кислот та поліетердіолів оксипропіленового та оксиетиленового ряду для полімер­них систем доставки терапевтичних препаратів.

Передбачалось, що їх поверхнево-активні властивості і здатність до утво­рення в воді та фізіологічних розчинах самоорганізованих стійких нано - та мікро-розмірних дисперсних структур складної архітектури з градієнтом гідрофільно-ліпофільних властивостей, біодеградабельність та не токсичність, забезпечить їх придатність для створення систем транспорту лікарських препаратів та композит­них гідрогелевих систем.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

· обґрунтувати природу та структуру макромолекул нових полімерів, для створення полімерної основи систем доставки ліків, виходячи з переваг та недоліків сучасних матеріалів;

· розробити наукові і практичні основи синтезу амінофункційних поліестер­етерів нового типу. Для цього: і) дослідити можливі шляхи синтезу поліестерів на основі двоосновних α-амінокислот та поліетердіолів; іі) провести порівняння дос­ліджених методів синтезу та запропонувати новий найбільш перспективний метод отримання нових полімерів даного класу; ііі) дослідити та встановити хімізм та механізм формування макромолекул для створення теоретичних основ синтезу амінофункційних поліестеретерів двоосновних α-амінокислот та поліетердіолів. З застосуванням кінетичного методу дослідити механізм формування макромолекул поліестеретерів; іv) з використанням теоретичних основ синтезу здійснити кореляцію між складом та структурою полімерів і методом синтезу. Розвинути уявлення про можливості цілеспрямованих змін будови кополіестерів для прогнозованого регулювання фізико-хімічних властивостей. Розробити практичні рекомендації з синтезу амінофункційних поліестеретерів заданої структури та властивостей.

· розробити теоретичні та практичні основи формування в водному середовищі і фізіологічних розчинах дисперсної фази нано- та мікрочастинок нових амінофункційних поліестеретерів; Для цього: і) дослідити колоїдно-хімічні влас­тивості амінофункційних поліестеретерів в залежності від їх структури та молекулярної маси; іі) дослідити структуру та морфологічні особливості дисперсної фази в залежності від складу та будови макромолекул; ііі) дослідити агрегативну стійкість колоїдних систем на основі амінофункційних поліестеретерів; іv) за результатами досліджень розробити рекомендації по формуванню агрегативно стійких полімерних дисперсій з заданими властивостями.

· розробити теоретичні основи використання нових водних дисперсій на основі амінофункційних поліестеретерів в якості систем доставки терапевтичних препаратів; Для цього: і) дослідити закономірності солюбілізації малорозчинних органічних речовин різної природи (в тому числі біологічного походження) в дисперсних системах синтезованих поліестеретерів; іі) дослідити закономірності вивільнення ліпофільних речовин з дисперсної фази в неполярне (органічне) середовище в залежності від природи та структури полімерних міцел, оцінити можливість міжфазного переносу ліків солюбілізованих в міцелах амінофункційних поліестеретерів; ііі) дослідити біодеградабельність нових поліестерних систем та визначити закономірності біодеструкції макромолекул носія;

· узагальнити рекомендації по синтезу, оптимізації складу нових амінофунк­ційних кополіестерів для забезпечення відповідних фізико-хімічних властивостей та використання їх в якості полімерних катіоноактивних матеріалів для створення поліплексів – наночастинок, які забезпечують транспорт генного матеріалу в ядро клітини та можуть бути використані в генній інженерії.

· запропонувати підходи до використання макромолекул амінофункційних поліестеретерів як наноконтейнерів у гідрогелевих матрицях на основі поліакрил­аміду прищепленного до полімерних волокон для збільшення ємності та пролонго­ваного вивільнення модельних ліпофільних речовин у гідрогелевих системах транс­порту ліків.

Об’єкт дослідження. Процеси синтезу поліестерів на основі природних двоосновних α-амінокислот (глутамінова та аспарагінова) та поліетердіолів за реакцією естерифікації Стегліха. Процеси естерифікації у розчині при кислому ка­талізі (реакція Фішера). Синтез естерів через хлорангідриди та ангідриди двооснов­них амінокислот при дії тіонілу хлористого (реакція Бреннера). Нано - та мікро - розмірні полімернії дисперсії та гідрогелеві композиційні матеріали на основі синтезованих полімерів.

Предмет дослідження. Закономірності синтезу та будова амінофункційних полі­естеретерів на основі двоосновних α-амінокислот та поліетердіолів, дослідження їх поверхнево-активних властивостей та закономірностей гідролітичної та біодеструкції, формування дисперсної фази на основі нових поліестеретерів та закономірності процесів солюбілізації та вивільнення сполук ліпофільної природи, оцінка міжфазного переносу ліків міцелярними структурами нових поліестеретерів та у складі гідрогелевих композитів та полііонних комплексів - поліплексів.

Методи дослідження. ПМР та С13ЯМР - спектроскопія, SANS (малокутове розсі­ювання нейтронів), дослідження проводились в Oak Ridge National Laboratory (Tennessee, USA) на приладі Extended Q-Range Small Angle Neutron Scattering Difractometer (EQ-SANS), ІЧ-спектроскопія з Фур’є претворенням, скануюча елек­тронна, трансмісійна та оптична мікроскопії, мас-спектроскопія, газо-рідинна, висо­коефективна рідинна та гель-проникна хроматографії, аналіз динамічного світло­розсіювання (DLS), термогравіометрія, потенціометрія, визначення поверхневого натягу методом Дю Нуї, фотоколориметрія, нефелометрія, рефрактометрія.

Наукова новизна отриманих результатів. Робота є комплексним дослідженням яке включає розвиток уявлень та створення теоретичних засад нового методу синтезу кополіестерів, через реакції низькотемпературної естерифікації, нового класу амфіфільних кополіестерів природніх двоосновних амінокислот та поліетердіолів що містять бічні функційні групи в полімерному фрагменті та є біосумісні, біодеградабельні та мають регульовані колоїдно-хімічні властивості для створення нових систем доставки ліків.

1. Створено теоретичні основи синтезу та синтезовано новий клас біодеграда­бельних полімерних матеріалів – амінофункційних поліестеретерів на основі дво­основних α-амінокислот та поліетердіолів оксиетиленової та оксипропіленової природи для полімерних систем транспорту ліків.

2. Вперше запропоновано, для створення нових кополіестерів метод синтезу через реакцію естерифікації Стегліха. Вперше проведена оцінка варіантів синтезу за реакцією Стегліха та проведена оптимізація отримання кополіестерів з виходами понад 90%.

3. Вперше запропонована та розвинута концепція надання біфільності макромолекулам кополіестерів через відповідні реакції поліконденсації та регу­лювання їх колоїдно-хімічних властивостей. Взаємозв’язок між поверхнево-актив­ними властивостями макромолекул нових поліестеретерів та їх будовою, став теоретичною основою формування агрегативно стійких водних нано - та мікророз­мірних дисперсних систем.

4. Вперше запропонована та розвинута концепція створення амфіфільних амі­нофункційних кополіестерів, які містять бічні функційні групи в полімерному фрагменті та мають біодеградабельні та регульовані колоїдно-хімічні властивості;

5. Показано, що природа та структура амфіфільних макромолекул кополіесте­рів визначає колоїдно-хімічні властивості дисперсної фази. Дослідження та аналіз особливостей структури та форми частинок дисперсної фази з допомогою мало­кутового розсіювання нейтронів (SANS) та трансмісійної елекронної мікроскопії (ТЕМ) дозволили розширити фундаментальні знання в області формування полімерних колоїдних систем, теорії стійкості самостабілізованих полімерних дис­персій та особливостей солюбілізації малорозчинних ліпофільних органічних молекул в водних дисперсіях.

6. Вперше запропоновано створення композиційних гідрогелевих матеріалів з покращеними фізико механічними властивостями через реакції міжланцюгового ковалентного зшивання з утворенням тривимірної сітки поліакриламіду прищеп­леної до несучої полімерної поверхні та наповненої макромолекулами амінофункційних амфіфільних поліетерестерів як мікро - та нано - контейнерами для пролонгованої доставки ліпофільних речовин у планарних засобах доставки.

Практичне значення отриманих результатів. Амінофункційні кополіестеретери які мають біодеградабельні властивості, а подукти їх біорозкладу є нетоксичними і легко виводяться з організму метаболічними шляхами мають значний практичний інтерес для конструювання нових засобів доставки ліків. У порівнянні з широко застосованими в полімерних системах доставки макромолекулами поліетерів («Pluronics»), макромолекули амінофункційних поліестеретерів мають значно більшу структурну різноманітність та можливістю керування їх хімічними та колоїдно-хімічними властивостями. Системи нових біосумісних амфіфільних кополіестерів можуть знайти застосування також у таких галузях як косметологія, біотехнологія, біохімія, ветеринарія, хімія харчових додатків.

· Запропонований метод синтезу дає можливість цілеспрямовано конструювати потрійні амінофункційні кополіестеретери із складною будовою мономерних ланок, що забезпечує регулярне входження різних за природою мономерів в структуру макромолекули в тому числі з реакційноздатними групами, які придатні для ковалентного чи іонного зв’язуання ліків, маркерів, генів і т. п.

· Структура макромолекулярного ланцюга амінофункційних кополіестерів впливає на величину їх коефіцієнту розподілу в модельній системі вода – н-октанол. Розраховані та експериментально визначені величини гідрофільно-ліпо­фільного балансу макромолекул кополіестерів альтернантної та статистичної будови, а також значення коефіцієнтів розподілу і відповідно ліпофільність макро­молекул визначаються заданою структурою елементарної ланки макроланцюга.

· При концентраціях вищих за ККМ макромолекули амінофункційних кополіестерів утворюють міцелярні структури певної ліпофільності. Такі міцелярні структури можуть бути використані як наноконтейнери для конструювання нових полімерних систем доставки ліків. Цілеспрямовані дослідження формування само­стабілізованих водних дисперсій на основі амінофункційних кополіестерів, їх ко­лоїдно-хімічних властивостей, здатності до солюбілізації та вивільнення ліпофіль­них органічних сполук різної природи дозволило створити міцелярні носії протиракових препаратів, наприклад таких як куркумін.

· Формування наповнених гідрогелевих матриць прищеплених до поверхні полімерних волокон з покращеними структурно-механічними властивостями, які можуть бути використані як планарні засоби доставки з високою ємністю по абсорбції діючої речовини ліків та здатними до пролонгованого їх вивільнення.

· Вперше синтезовано катіоноактивні кополіестери природніх двоосновних α-амінокислот; показано можливості їх використання для створення біосумісних полііонних комплексів – поліплексів для транспорту генного матеріалу в клітину та здійснення генної інженерії.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в науковому обґрунтуванні мети та завдань досліджень; створенні нового класу полімерів – амінофункційних кополіестерів; розробці нового методу синтезу кополіестерів через реакцію естерифікації Стегліха; розробленні теоретичних моделей для вста­новлення механізму низькотемпературної поліконденсації природніх двоосновних амінокислот та поліетердіолів через реакцію естерифікації Стегліха; розробленні методів конструювання амфіфільних амінофункційних поліестеретерів стати­стичної та альтернатної будови з ліпофільними боковими групами та реакційно здатними аміногрупами; створенні нових підходів до конструювання полііонних систем (поліплексів) здатних до зв’язування ДНК та транспорту генного матеріалу в клітину, композитних гідроцелевих матриць прищеплених до полімерних волокон з покращеними структурно-механічними властивостями та високою ємністю по аб­сорбції діючої речовини - ліків здатними до пролонгованого їх вивільнення; виборі напрямків практичної реалізації одержаних результатів наукового дослідження.

Обговорення експериментального матеріалу та формулювання висновків проводи­лось автором з проф. та д. х.н., с. н.с. Самариком екс­периментального матеріалу була отримана здобувачем разом з к. х.н., с. н.с. Носо­вою Н. Г. к. х.н., м. н.с. Фігуркою Н. В., та к. х.н., н. с. Дронь І. А. та спільно з к. х.н., н. с. Тарнавчиком І. Т. і проф. Вороновим A. С. (North Dakota State University USA).

Апробація результатів дисертації. Четвертая Всероссийская Каргинская конференция, Москва, 2007; 3rd International Symposium on “Reactive Polymers in In homogeneous Systems, in Melts, and at Interfaces”, Germany-2007; 235th ACS National Meeting, USА, 2008; III Міжнародна конференція по колоїдній хімії і фізико-хімічній механіці, Росія, World Forum on Advanced Materials «POLYCHAR 17», France, 2009, Germany 2010, CROATIA 2012; Х міжнародна конференція з хімії та фізикохімії олігомерів «Олигомеры Х», Росія, 2009; 11th International Bayreuth Polymer Symposium, Germany, 2009; APST conference, Austria, 2009, 2 доповіді; 8th International Conference on Advanced Polymers via Macromolecular Engineering, Germany, 2009; 12th JCF-Frühjahrssymposium, Germany 2010; 239th ACS National Meeting, USА, 2010; 6-я, 7-я Санкт-Петербургская конференция Россия, 2010, 2011, 2 доповіді; ХХІІ Українська конференція з органічної хімії Ужгород; друга міжна­родна наукова конференція “Хімія та хімічні технології 2011” Україна, 2011, 2 до­повіді; IV, XI Международная конференция-школа по химии и физикохимии олигомеров, Россия 2011, 2 доповіді,2013; 14th JCF Frühjahrssymposium, Germany, 2012, 2 доповіді; тринадцята всеукраїнська конференція студентів та аспірантів «Сучасні проблеми хімії», Україна, 2012; Proceedings of the international conference Nanomaterials: Applications and Properties, Alushta, 2012; Symposium on sustainable materials and light driven processes, USA, 2012, 2 доповіді; Proceedings of the interna­tional conference Nanomaterials: Applications and Properties, Alushta; XIV наукова конференція «Львівські хімічні читання – 2013»;. XXII Українська конференція з органічної хімії. – Чернівці; XIII української конференції «ВМС-2013»; 12th Interna­tional Symposium on Biorelated Polymers, 247th ACS National Meeting, 2014; 12th International Symposium on Biorelated Polymers, 247th National Meeting, USA, 2014.