ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС
ПРОЕКТНЫХ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ОБУЧАЮЩИХСЯ
«ГОРИЗОНТЫ ОТКРЫТИЙ-2018»
Секция: ХОЧУ ВСЁ ЗНАТЬ (работы из разных областей знаний)
Тема: «Капсулы из морских водорослей – удивительный альгинатный щит для лекарств»
Автор:
Научный руководитель:
Место выполнения работы:
НОЧУ «ЦО «Международная гимназия в Новых Вешках»
2018
Содержание
Введение…………………………………………………………………………...3-4
Глава I. Теоретическая часть
1.1.Фармакология вчера и сегодня.……… ……………………………………...4-5
1.2. Применение альгинатов из морских бурых водорослей…………………...5-6
1.3.Капсулирование-универсальный способ переноса лекарств …………….......6
1.4.pH среда различных органов человека………………………………………6-7
Глава II. Практическая часть
2.1. Соцопрос………………………………………………………………………...7
2.2. Приготовление водных растворов альгината натрия и хлорида кальция различной концентрации………………………………………………………….7-8
2.3. Изготовление капсул и наполнение их красителем ………………………….8
2.4. Изучение защитных свойств ……………………………………………….8-10
2.5.Исследование растворимости капсул в средах с разным рH ……………….10
2.6.Создание оптимальной оболочки для капсулы кишечника……………...10-11
Выводы…………………………………………………………………………11-12
Список литературы……………………………………………………………….12
Приложения…………………………………………………………………….13-20
Чтобы наша пища была лекарством, а лекарства-пищей
Гиппократ
Введение
Актуальность. Современное общество отчаянно борется за своё здоровье и долголетие. Эта борьба определяет все возрастающий спрос на продукты и лекарства именно природного происхождения. В последние три десятилетия резко возрос интерес к зарождающейся «морской фармакологии» и морским морепродуктам [7 с. 1]. Особую ценность представляют водоросли-единственный природный источник содержания йода. Макро - и микроэлементов в водорослях выше, чем в наземных растениях. Именно благодаря этим свойствам рекомендуется потребление этого продукта. В медицине за рубежом широко используют бурые водоросли: ламинарию и фукус, которые являются богатым возобновляемым сырьем и лекарством, широко применяемым в виде капсул для лечения желудочно-кишечного тракта [6 с.1]Однако в России применение капсул из морских водорослей пока не получило широкого распространения. В нашем классе почти у каждого ребёнка в течение 4-х лет обучения наблюдались признаки заболевания желудочно-кишечного тракта и почти половина употребляла лекарства для лечения. Эта тема актуальна для меня самой и касается абсолютно каждого человека. Ведь это-наше здоровье. Но, проблема, можно ли считать капсулы из морских водорослей альтернативой традиционным лекарственным средствам в условиях прохождения высокой кислотности желудка. Мы решили это выяснить.
Объект исследования: капсулы из альгината натрия морских бурых водорослей
Предмет исследования: защитные свойства капсул
Цель: исследование влияния концентрации лекарственного раствора на защитные свойства капсул
Гипотеза: концентрация раствора активизирует защитные свойства капсул
Задачи
- Изучить источники информации по теме Провести опрос Изготовить капсулы различной концентрации Исследовать защитные свойства капсул Создать оптимальную капсулу, способную пройти кислотную среду желудка и попасть в кишечник Провести сравнительный анализ и сделать выводы Разработать практические рекомендации по выбору в магазине водорослей и определению качества продукта в домашних условиях Методы исследования
- Поисково-теоретический (работа с литературой, изучение проблемы); Соцопрос; Эмпирический (получение данных через наблюдения и эксперименты); Заключительно-обобщающий (систематизация материала, обобщение результатов, выводы и рекомендации по применению полученных знаний на практике).
Глава I. Теоретическая часть
1.1.Фармакология вчера и сегодня
Сейчас уже невозможно определить, когда человек впервые заметил, что определённые вещества в определённом состоянии и дозировке способны влиять на организм и помогать ему побеждать недуги. Именно тот день можно считать моментом зарождения науки о лекарствах, или фармакологии.
С давнего времени в зависимости от способа введения лекарств в организм различают энтеральные и парентеральные лекарства. [5 с.1] Энтеральные - формы, вводимые в организм через желудочно-кишечный тракт (через рот, прямую кишку). Парентеральные-формы, вводимые путём нанесения на кожу и слизистые оболочки организма; путём инъекций в сосудистое русло (артерию, вену), под кожу или в мышцу; путём ингаляций [1 с.5]При традиционном введении препарата лекарство распределяется относительно равномерно и оказывает влияние и на органы, не нуждающиеся в лечении. Сегодня в фармацевтической промышленности большое внимание уделяется направленной доставке лекарственных средств. Как стрела, лекарство должно найти и поразить свою цель. Впервые о точечной доставке лекарств заговорили ещё в XIX веке. Тогда немецкий бактериолог П. Эрлих предложил термин «волшебная пуля» [1 с.6] Под «волшебной пулей» он подразумевал препарат, который будет находить и избирательно атаковать опухолевые клетки. В то время это казалось мечтой, но современные технологии превратили её в реальность.
1.2.Применение альгинатов из морских бурых водорослей. [7 с. 1]
Большим спросом пользуются сейчас морские бурые водоросли: ламинария(морская капуста) <Приложение1> и фукус <Приложение2>, которые содержат альгиновую кислоту— вязкий полисахарид (углевод), похожий на резинку. В водорослях альгиновая кислота содержится в форме солей. [3 с. 118]Соли альгиновой кислоты и называются альгинатами. Альгиновая кислота не растворима в воде, но при этом чрезвычайно гигроскопична. То есть она может притягивать и связывать большое количество воды.1 г альгиновой кислоты может связать 300 г воды. Именно поэтому она превосходно увлажняет. Альгинаты также способны связывать большое количество воды, но в отличии от своей «мамы» прекрасно в ней растворяются. В результате получается вязкий раствор (гель). Соли альгиновой кислоты - это альгинаты натрия, калия и кальция имеют очень широкое применение. В медицине их используют не только в качестве сырья для лекарственных средств и биопрепаратов, но также в стоматологии - в качестве слепочной массы-для изготовления оттиска челюсти. В качестве антацидов (лекарственных препаратов, предназначенных для лечения кислотозависимых заболеваний желудочно-кишечного тракта посредством нейтрализации соляной кислоты, входящей в состав желудочного сока). Также их используют для борьбы с последствиями радиационного загрязнения (альгинаты обладают уникальной способностью связывать тяжёлые металлы (свинец, кадмий), токсичные и радиоактивные вещества (стронций, цезий. барий, радий, плутоний) [3 с. 118].В пищевой промышленности на основе альгинатов создают некоторые пищевые продукты (например, искусственную икру). В качестве пищевой добавки Е 401 применяется как загуститель и стабилизатор. В косметологии на основе альгинатов изготавливают гели, кремы и маски. Альгинаты «живут» только в морских водорослях и ни в одном наземном растении не встречаются. Уникальность применения в медицине состоит в получении и использовании природного полимера альгината натрия из бурых морских водорослей не только в качестве оболочки для капсул, но, одновременно, в качестве лекарства от многих болезней и в том числе как профилактическое средство. Морские бурые водоросли отличаются доступностью и дешевизной. По прогнозам учёных - это будущее медицины
1.3.Капсулирование-универсальный способ переноса лекарств [2 с. 130-138]
Тело человека устроено непросто, и зачастую лекарство проходит большое количество преград. Такой преградой может выступать среда желудка, обладающая очень высокой кислотностью.
Одним из самых универсальных способов для переноса лекарств в организм является капсулирование. Первые сообщения о капсулах найдены в папирусе Эберта, датированном около 1500 г. до н. э.
Капсулирование-это заключение мелких частиц вещества или его раствора в тонкую оболочку. Для этого маленькие порции раствора с препаратом помещаются в жидкость. После попадания в которую на поверхности капли происходит формирование оболочки микрокапсулы. Оболочка может состоять из синтетического (искусственного) или природного полимера. Природные полимеры бывают животного (желатин) и растительного происхождения (полисахариды). Желатин получают из коллагена, содержащегося в костях, хрящах и сухожилиях убойных животных. В группу растительных полимеров, используемых для оболочек капсул входят крахмалы, пектины, полисахариды морских растений [4 с. 202] На данный момент используются два вида капсул: твёрдые, где оболочка представляет собой «коробку» для лекарства, которую можно в любой момент разобрать, и мягкие, неотделимые от внутреннего активного вещества <Приложение3>. Твёрдые капсулы <Приложение4> получают методом прессования, а мягкие производят капельным методом.
1.4. Кислотность в различных органах[1 с.8]
Для того, чтобы капсула «попала в цель», при её изготовлении важно знать водородный показатель pH. Он измеряется в степенях числа 10. Концентрация ионов водорода в растворе с pH 1.0 в 10 раз выше, чем концентрация ионов водорода в растворе с pH 2.0. Чем выше концентрация ионов водорода, тем ниже pH:
- при pH>7 раствор щелочной (основной) при pH<7 раствор кислый или кислотный
Кислотность в различных органах человека составляет:
- в пищеводе pH составляет 6,0-7,0; в просвете тела желудка натощак 1.5-2.0; минимальная кислотность в желудке 8,3; максимальная кислотность в желудке 0,8-0,9; кислотность сока тонкой кишки 7,2-7,5; кислотность сока толстой кишки 8,5-9,0
Глава II. Практическая часть
2.1. Соцопрос. Респонденты – обучающиеся 4,5,6 классов - 58 человек. Цель–изучение информированности обучающихся о способе капсулирования лекарственных препаратов для желудочно-кишечного тракта. Обучающимся нашей гимназии был задан вопрос: Как Вы думаете, влияет ли концентрация лекарственного раствора на защитные свойства капсул? Результаты представлены на диаграмме. <Приложение 5> - 29 человек (50 %), считают, что влияет и чем выше концентрация, тем сильнее она защищает лекарство внутри капсулы; 12 (21%), что не влияет; 10 (17%) никогда не задумывались об этом и 7 (12%) не знают, что такое концентрация лекарственного средства.
2.2. Приготовление водных растворов альгината натрия и хлорида кальция различной концентрации [1 с. 8]для производства капсул <Приложение 6>
1.Приготовили водные растворы альгината натрия разной концентрации. <Приложение 7> Для этого брали разное количество альгината, но всё время на 100 мл. горячей воды: 1,5% -1,5 г. альгината,2% -2 г. альгината, 2,5 % - 2,5 г. Особо тщательно перемешивали до получения однородной массы стеклянными палочками.
2.3. Изготовление капсул и наполнение их красителем [1 с. 9]
1.Путём добавления в альгинат натрия различных красителей провели окрашивание капсул. <Приложение 8>
2.Внесли по каплям получившийся раствор в стаканчики с раствором CaCl₂. Стараясь не задевать готовые капсулы. Молекулы альгината соединялись с кальцием и происходило так называемое капсулирование.
3.Выдержали капсулы в растворе CaCl₂ в течение 15 минут. <Приложение9>
4.Достали с помощью сита и промыли водой.
5.Высушили на салфетках. <Приложение 10>
6.Поместили капсулы в герметичные пластиковые пробирки и пакетики до следующего эксперимента.
Вывод: чем больше концентрация раствора, тем более густой гель и более крупные по размеру, твёрдые капсулы.
2.4. Изучение защитных свойств проводили на капсулах, полученных из 1,5%, 2% и раствора альганата натрия.
Изменение цвета капсул | Изменение pH капсул | Изменение цвета капсул №1 | Изменение цвета капсул №2 | |
1. | По 10 капсул с крахмалом поместили в 25 мл раствора Люголя (или спиртовой раствор йода) <Приложение 11> | По 10 капсул с перманганатом калия поместили в 25 мл сахарного сиропа (глюкозы). <Приложение 12> Затем изменили pH сиропа, используя кислоту и щёлочь. <Приложение 13> Для определения pH использовали лакмусовые бумажки. | По 10 капсул с перманганатом калия поместили в раствор перекиси водорода. <Приложение 14> | По 10 капсул с бриллиантовым зелёным поместили в раствор перекиси водорода <Приложение 15> |
2. | Через некоторое время заметили изменение окраски. Раствор окрасил капсулы в цвет йода. Через 10 минут мы достали половину капсул, а ещё через 10 минут оставшуюся половину. | Оставили капсулы на 10 минут сначала в сахарном сиропе, затем в кислоте и одновременно в щёлочи | Наблюдали за изменением окрашивания капсул. Затем достали их с помощью ситечка. Промыли и просушили на салфетке. | Наблюдали за изменением окрашивания капсул. Затем достали их с помощью ситечка. Промыли и просушили на салфетке. |
Вывод: | Чем дольше мы держали капсулы, тем темнее по цвету они стали. | Сахарный сироп никак не влияет на окрашивание капсул, а кислота и щёлочь обесцвечивают капсулы. | Капсулы обесцветились | Перекись водорода сильно обесцветила капсулы с раствором бриллианта зелёного |
3. | После разрезания капсулы увидели, что раствор йода окрасил капсулу снаружи. А внутрь не смог проникнуть. Внутри она осталась белой | Различия между окрашиванием капсул в зависимости от pH среды нет. | Цвет капсулы внутри остался прежним | Перекись обесцветила капсулу только снаружи. Внутрь проникнуть не смогла |
4. Общий вывод. Несмотря на изменение капсул снаружи, альгинат натрия с CaCl₂ образует стойкую защитную оболочку. Но чем меньше концентрация раствора, тем мягче становятся капсулы после воздействия на них разными растворами |
2.5.Исследование растворимости капсул в средах с разным рH [1 с. 10]
Для определения устойчивости капсул к различным средам рH желудка и кишечника взяли две колбы «желудок» и «кишечник». Сделали в них растворы, идентичные желудку (кислотную рH 0,9-2) путём разведения соляной кислоты и кишечную (щелочную рH 7,2-7,5) Ca(OH)₂. Поместили по 10 окрашенных капсул различной концентрации раствора 1,5%, 2% и 2,5% альгината в пробирки <Приложение 16> с различным рH<Приложение 17>. Наблюдали за происходящими изменениями. В результате в начале происходит увеличение размера капсул, затем через 15 минут выпустили фермент капсулы 1,5 % раствора <Приложение 18>, через 25 минут-2% <Приложение 19>, через 35 минут-2,5 %<Приложение 20>
Вывод: концентрация раствора прямо пропорциональна изменениям, происходящим с капсулами. Чем меньше концентрация раствора, тем меньшими защитными свойствами обладает капсула и наоборот.
2.6.Создание оптимальной оболочки для капсулы кишечника[1 с. 11-12]
Следующей задачей в нашем исследовании было создание капсулы, которая смогла бы пройти кислотную среду желудка и попасть в кишечник. Для этого мы продолжили экспериментировать с концентрацией раствора альгината натрия и хлористого кальция<Приложение 21>,<Приложение 22>,<Приложение 23> и пытались активизировать различные защитные свойства, выявленные предыдущим исследованием.
1.Поместили по 5 окрашенных капсул различной концентрации раствора 3%, 3,5%, 4% альгината в пробирки с различным рH. Каким образом определили, капсулы какой концентрации прошли испытание? <Приложение 24>. Время прохождения пищи через желудок составляет от 20 минут до 6 часов. Взяли идеальные условия, допустив, что когда человек примет капсулу натощак. Запив её большим количеством воды. В таком случае необходимо, чтобы капсула продержалась в колбе «желудок», не растворившись в течение 20-30 минут. <Приложение 25>
Вывод: в течение первых 30 минут продержались капсулы 3 % раствора альгината и большей концентрации.
2.Взяли не идеальные условия. Продолжили наблюдать дальше. За следующие 1,5 часа изменения формы и цвета происходили со всеми растворами. Произошёл выход фермента у 3 %. Оставили пробирки с растворами на ночь в лаборатории, т. к. не было возможности вести дальнейшее наблюдение. Утром зафиксировали, что все остальные растворы, а прошло более 6 часов выдержали испытание и не растворились, что, наверное, также говорит о нецелесообразности использования растворов концентрации большей, чем 3%. В противном случае-капсула не растворится и в кишечнике.
Вывод. Таким образом, по итогам последнего исследования рекомендуемая концентрация раствора альгината натрия-3%.
Выводы по исследованию:
1.Концентрация раствора альгината натрия прямо пропорциональна вязкости геля.
2. Увеличение концентрации приводит к увеличению формы капсул, их плотности и повышению защитных свойств.
3.При воздействии на капсулы растворами с различной pH средой происходит окрашивание или обесцвечивание капсул, но изменения окрашивания модельного раствора внутри капсулы не происходит.
4. Оптимальная концентрация для создания капсулы, способной пройти кислотную среду желудка и попасть в кишечник -3% раствор альгината натрия и 3% раствор CaCl₂.
5. Капсулы из морских водорослей являются альтернативой традиционным лекарственным средствам, т. к. оболочка обладает мощными защитными свойствами и лекарство выдерживает высокую кислотность желудка, целенаправленно попадая в кишечник.
Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что гипотеза подтвердилась. Концентрация раствора активизирует защитные свойства капсул. Для лечения ЖКТ лучше использовать капсулы из альгината натрия. т. к. фермент и оболочка природного происхождения. По методике, изложенной в исследовании каждый человек, принимающий лекарства для кишечника и зная уровень кислотности своего желудка, может определить: достигает ли данное лекарство цели или оно растворяется больше в желудке и необходима консультация врача для более целенаправленного транспорта лекарственного средства.
Проведя исследование, мы ознакомили с его результатами гимназическое сообщество, выпустили буклеты для родителей и всех заинтересованных по практическому выбору в магазине водорослей, и определению качества водорослей в домашних условиях. Рекомендации составлены медицинским работником и поваром гимназии. В дальнейшем планируем исследование лечения инфекционных заболеваний бактериофагами, заключив их в капсулы из водорослей. Морские бурые водоросли-тот объект, который позволяет осуществить мечту Гиппократа: чтобы наша пища была лекарством, а лекарства-пищей [5 с. 1]
Таким образом, долг каждого человека - понимать значение здоровья, самостоятельно о нём заботиться, ответственно подходить к своему рациону питания и потреблению лекарственных средств. Существующая поговорка «Здоровье не купишь в аптеке» требует уточнения. С помощью «морской аптеки» здоровье можно сохранить и улучшить!»
Список литературы
1., , МодульГид. Медицинские биотехнологии.-Санкт-Петербург.: Школьная лига, 2017.
2., Альгинаты: состав, свойства, применение //
Владивосток : Изв. ТИНРО. - 1995.
3. О составе и физико-химических свойствах альгиновой кислоты и альгинатов из бурых водорослей // Владивосток: ТИНРО, 1973. 4., Промысловые водоросли и травы морей Дальневого востока: биология, распространение, запасы, технология переработки.- Владивосток: ТИНРО-центр, 2016.- 243 с.
5.http:///medicinal-plants/laminaria-saccharina-iodine-seaweed-kelp. html
6.http://foodandhealth. ru/komponenty-pitaniya/alginovaya-kislota/
7.http://diplomba. ru/work/130844
Приложения
<Приложение1> Ламинария (морская капуста) <Приложение2> Фукус
<Приложение3> Капсулы в мягкой оболочке <Приложение4> Капсулы в твёрдой оболочке
<Приложение 5> Опрос
<Приложение6> Таблица различной концентрации растворов
№ п/п | Количество альгината натрия в граммах на 100 мл. воды | Количество CaCl₂ в граммах на 100 мл. воды | Раствор в % соотношениии альгината и CaCl₂ |
1. | 1,5 | 3 | 1,5x3 |
2. | 2 | 3 | 2 x 3 |
3 | 2,5 | 3 | 2,5 x3 |
<Приложение7> Окрашивание капсул
Получение окрашенных капсул (с использованием пищевого красителя) | Получение капсул с бриллиантовым зелёным («зелёнка») | Получение капсул с крахмалом | Получение капсул с KMnO₄ (перманганат калия/марганцовка) |
Смешали в стаканах на 100 мл | |||
по 25 мл каждого вида 1,5, 2, 2,5 раствора альгината натрия с красителем | по 25 мл 1,5, 2, 2,5 несколько капель раствора бриллиантового зелёного | по 25 мл 1,5, 2, 2,5 альгината натрия и по 1г крахмала | по 25 мл 1,5, 2, 2,5 альгината натрия и по несколько кристаллов перманганата калия |
<Приложение8> Внесение капель в растворы для капсулирования
<Приложение9> Выдерживание капсул в растворе
<Приложение 10> Высушивание капсул
<Приложение 11> В растворе Люголя
<Приложение 12> В сахарном сиропе
<Приложение 13> В растворе щёлочи и кислоты
<Приложение 14> Капсулы перманганата калия в перекиси водорода
<Приложение 15> Капсулы бриллианта зелёного в перекиси водорода
<Приложение 16> Разложили капсулы в пробирки капсулы
<Приложение 17> Добавили в каждую пробирку по 15 капель щелочной и кислотной среды
<Приложение 18> 1,5 % через 15 мин
<Приложение 19> 2% капсулы через 25 мин <Приложение 20>2,5 % через 35 мин
<Приложение 21> Приготовление растворов высокой концентрации
<Приложение 22> Таблица Приготовление растворов высокой концентрации
№ п/п | Количество альгината натрия в граммах на 100 мл. воды | Количество CaCl₂ в граммах на 100 мл. воды | Раствор в % соотношениии альгината и CaCl₂ |
1. | 3 | 3 | 3 x 3 |
2. | 3,5 | 3 | 3,5 x 3 |
3. | 3,5 | 3,5 | 3,5 x 3,5 |
4. | 4 | 3,5 | 4 x 3,5 |
<Приложение 23> Готовые капсулы
<Приложение 24> Капсулы в среде желудка и кишечника
<Приложение 25> Капсулы в среде желудка и кишечника
