автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка технологического процесса получения полиальдегиддекстранов окислением декстранов перманганатом калия

На правах рукописи

Медведев Владимир Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИАЛЬДЕГИДДЕКСТРАНОВ ОКИСЛЕНИЕМ ДЕКСТРАНОВ ПЕРМАНГАНАТОМ КАЛИЯ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 5 МЛП 2Щ

Бийск-2014

005548268

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Научный центр клинической и экспериментальной медицины» Сибирского отделения Российской академии медицинских наук (ФГБУ «НЦКЭМ» СО РАМН) и открытом акционерном обществе «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» (ОАО «ФНПЦ «Алтай»)

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Левченко Борис Васильевич кандидат технических наук

Симагина Валентина Ильинична доктор химических наук, профессор, ФГБУН Институт катализа СО РАН, заведующая лабораторией

исследований гидридных соединений

Василишин Михаил Степанович кандидат технических наук, доцент, ФГБУН Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН, заведующий лабораторией процессов и аппаратов химических технологий

ФГБУН Новосибирский институт органической химии СО РАН им. H.H. Ворожцова

Защита состоится «26» июня 2014 г. в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.08, в Бийском технологическом институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова» по адресу: 659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.bti.secna.ru Бийского технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «30» апреля 2014 г.

Ученый секретарь ja*------

диссертационного совета Ж/У^гУ Шалунов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной медицине широкое применение нашли препараты на основе декстранов - природных полисахаридов биологического происхождения. К ним относят сульфат декстрана, диэтиламиноэтилдекстран, комплекс железо-декстран, гидрогели на основе декстрана. В качестве плазмозамещающих препаратов в клинической практике используют водные растворы декстранов: реополиглюкин, полиглюкин и др. В настоящее время одним из перспективных веществ на основе декстрана для создания новых фармацевтических препаратов являются окисленные декстраны, а именно полиальдегиддекстран (ПАД).

Разработка технологии получения ПАД способствует решению задач создания высокотехнологичного отечественного промышленного фармацевтического комплекса и повышения лекарственной независимости страны, определенной федеральной целевой программой «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу».

Наибольшее применение в практике получения полиальдегиддекстранов получили два метода: химический - с использованием периодатов щелочных металлов, и физический - с применением жесткого гамма-излучения. Основными недостатками существующих процессов окисления являются: необходимость применять трудозатратные процессы очистки конечного продукта от неорганических йодпроизводных, наличие которых ограничивает применение ПАД в медицине, нестабильность структуры получаемых физическим методом полисахаридов.

Учитывая недостатки существующих методов синтеза ПАД, разработка нового метода получения ПАД и создание технологии окисления декстранов для получения конкурентоспособных фармацевтических препаратов являются актуальным.

Исследования по разработке технологии получения полиальдегиддекстранов проводились в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» по государственному контракту № 16.522.12.2001 «Разработка технологии и создание опытного производства окисленных декстранов».

Цель исследования — разработка технологического процесса окисления декстранов при применении перманганата калия в качестве окислителя.

Задачи исследований:

1. Исследовать закономерности процесса окисления декстранов перманганатом калия.

2. Разработать методику оценки качества получаемого окисленного декстрана.

3. Изучить влияние технологических параметров процесса окисления декстранов (количество окислителя, температура, рН) на свойства получаемых ПАД.

4. Определить технологические режимы процесса получения окисленных декстранов в условиях опытно-промышленного производства и разработать практические рекомендации по применению результатов работы в производстве ПАД.

Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследования является процесс получения ПАД с использованием перманганата калия. Предметом исследования являются параметры, влияющие на эффективность окисления (температура, рН, количество окислителя).

В процессе выполнения работы были использованы экспериментальные и расчетно-аналитические методы, методы теоретического и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы:

1. Выполнено научное обоснование технологии получения ПАД с использованием в качестве окислителя перманганата калия, обеспечивающей выпуск продукта высокого качества.

2. Установлены зависимости выхода ПАД и количества окисленных групп в ПАД от технологических параметров процесса окисления, позволяющие оценить степень их влияния на свойства целевого продукта.

3. Разработана теоретическая модель процесса окисления ПАД, учитывающая различие в энергиях окисления глюкозных колец, позволяющая определять степень их окисляемости и поведение при окислении.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Разработана методика определения содержания альдегидных групп для оценки качества получаемых ПАД.

2. Разработан способ окисления декстрана, который позволил обеспечить требуемое качество продукта с заданной производительностью.

3. Разработана технологическая схема производства ПАД.

4. Разработаны и внедрены в опытно-промышленное производство окисленных декстранов ОАО «ФНПЦ «Алтай» практические рекомендации по получению ПАД.

5. Результаты работы положены в основу при создании противотуберкулезного лекарственного препарата в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» по государственному контракту 14.N08.12.0007 «Доклинические исследования противотуберкулезной

фармацевтической композиции на основе коньюгата гидразида изоникотиновой кислоты и декстрана».

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимости производительности процесса окисления и качества ПАД от технологических параметров.

2. Способ окисления декстрана перманганатом калия для получения

ПАД.

3. Теоретическая модель процесса окисления декстрана, учитывающая различие в энергиях окисления глюкозных колец декстрана и высокую молекулярную массу объекта.

4. Методика определения содержания альдегидных групп для оценки качества получаемых ПАД.

Личный вклад автора. Разработка плана исследований, проведение экспериментальных исследований и теоретического моделирования процесса окисления декстранов, обработка полученных данных, обсуждение результатов, формулировка выводов, подготовка публикаций по теме диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Ш-ей Всероссийской школе-семинаре для студентов, аспирантов и молодых ученых «Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы» (Россия, г. Белгород, 2010 г.), VI [-й Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Россия, г. Бийск, 2013 г.), кафедре «ТГВ ПАХТ» БТИ АлтГТУ, НТС ОАО «ФНПЦ «Алтай», общих семинарах ФГБУ «НЦКЭМ» СО РАМН.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, в том числе один патент РФ, и три статьи в изданиях, входящих в перечень рецензируемых изданий и журналов.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах печатного текста и проиллюстрирована 9 таблицами, 54 рисунками. Работа состоит из четырех глав. В списке цитируемой литературы указано 165 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цели и задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту, научная и практическая значимость работы.

Первая глава диссертационной работы содержит литературный обзор, включающий сравнительный анализ существующих способов получения окисленных декстранов с применением химических веществ и физических методов. Рассмотрены основные факторы, влияющие на процесс окисления декстрана, и обоснована возможность применения в качестве окислителя перманганата калия. Достоинством перманганатного способа является образование продуктов окисления в виде нерастворимого

Мп02, который легко отделим от раствора фильтрованием. Приведены примеры аналитических методов исследования качества ПАД (содержания карбонильных групп) как инструмента контроля целевого продукта.

Вторая глава диссертационной работы посвящена особенностям процесса окисления клинических декстранов для получения ПАД. Предложена теоретическая модель процесса окисления с учетом различной энергии деструкции глюкозных колец и макромолекулярной структуры клинических декстранов. Основной тезис теоретической модели процесса окисления - выделение двух различных групп глюкозных колец в структуре молекулы декстрана: первая, с низкой энергией окисления (рисунок 1), вторая с высокой энергией окисления (рисунок 2). Основные доказательства правомерности суждения и параметры предложенных групп получены на основании компьютерной модели, включающей в своем составе глюкозное кольцо и инертные заместители, имитирующие участки полимерной цепи декстрана.

Рисунок 1 - Модель концевого глюкозного остатка Суммарный процесс окисления декстрана перманганатом калия в кислой среде представлен уравнением реакции:

3 Dex + 2 КМп04 + 2 HCl -> 3 DOx + 2 Mn02 + 2 КС! + 4 Н20, (1) где Dex -- декстран; DOx - полиальдегиддекстран.

Суммарный процесс окисления рассмотрен как сумма двух электрохимических процессов:

Dex - 2 е- -» DOx + 2 Н+/-3 (2)

и восстановления перманганат иона:

MnOi + 4Н + 3 е-->Мп02 + 2Н20/-2 (3)

Энергия Гиббса полуреакции восстановления перманганат иона вычисляется из значения стандартного электродного потенциала -^6мп0-/мпо2 = ~~ 492,073 кДж/моль. Электрохимический процесс полуреакции окисления декстрана может быть представлен как единый процесс депротонизации и образования двух альдегидных групп с разрывом углерод-углеродной связи глюкозного кольца.

В расчете второй ступени константы кислотности рК\ = 13,59±0,07

Рисунок 2 - Модель глюкозного остатка основной цепи

глюкозного кольца использовались литературные данные для первой ступени рКд = 12,12±о,07. Энергия Гиббса двухстадийного процесса депротонизации:

ДСа°Пр = -тпка = -яг(р13+рк!)&110, (4)

где ДСа°пр - энергия Гиббса депротонизации глюкозного кольца; Я - газовая постоянная (8,31 Дж/моль-К); Т - температура (К); рКа - константы кислотности глюкозного кольца. ДСапр = 146,602 кДж/моль.

Энергию разрыва связи глюкозного кольца (таблица 1) определяли при помощи программы СЬетВюОШсе.

Таблица 1 - Расчетное значение энергий Гиббса (кДж/моль) образования диальдегида в молекуле декстрана _

Модели ДСз 4, кДж/моль ДС°з > кДж/моль

Концевого глюкозного остатка 34,390 16,756

Глюкозного остатка в середине цепи 85,900 79,676

где ДС3°4 - энергия Гиббса для процесса, протекающего по 3 и 4 положению в глюкозном кольце; ДС°з ~ энергия Гиббса для процесса, протекающего по 2 и 3 положению в глюкозном кольце.

Расчет полной энергии Гиббса (Д6°) и константы (Ка) реакции окисления декстранов перманганатом калия проведен для двух возможных вариантов - реакции по концевому глюкозному остатку (ДС°он) и реакции по глюкозному остатку в середине основной цепи (ДСс°р).

ДСр° = 2ДС^ + 3 (дСа°пр + (5)

Мп02 '

= ехр(-^), (6)

ДС°0Н= - 467,62 кДж/моль; ДСс°р=-295,97 кДж/моль; ^ОН=9,33-1081; ^р=7,62-1051.

Различие примерно в полтора раза в порядках для значений реакции К£он и КаР указывают на существование в молекуле декстрана глюкозных колец с различной энергией и склонностью к окислению, в зависимости от их местоположения в молекуле.

Для описания свойств конечного продукта процесса окисления декстрана можно использовать показатель степени окисленности молекул декстрана (Охср). С учетом наличия в молекуле декстрана глюкозных колец с различной энергией окисления

се п0х+рп0

где о и р - коэффициенты пропорциональности для легко- и трудноокисляемых глюкозных колец, определяемые из эксперимента; пох> пох ~ количество легко и трудно окисляемых глюкозных колец соответственно; по6щ - общее количество глюкозных колец в молекуле декстрана.

Количество окисляемых глюкозных остатков можно определить, рассматривая процесс окисления как реакцию псевдопервого порядка по окислителю:

л£г = ехр(клег • т) и п0рх = ехр(ктр • т), (8)

где клег и ктр - константы скорости реакций окисления легко и трудно окисляемых глюкозных колец, 1/с; т - время реакции, с.

Константы скоростей реакций окисления /слег и ктр вычисляются из

уравнения Аррениуса:

клег = Алег • ехр (-*»); ктр = Лтр ■ ехр (-£). (9)

где Алег И Атр - предэкспоненциальные множители в уравнениях Аррениуса для легко и трудно окисляемых связей в молекуле декстрана; Елег и Етр - энергии легко и трудно окисляемых связей.

Зависимость количества окисленных глюкозных колец (п0х) в ПАД от количества используемого окислителя (пКМп04) может быть представлена в виде линейного уравнения:

П0х = а' ' ПКМп04 + Р' ' ПКМпОл-

р' 0, при nKMn0i < "о* v а' ■ пКМп04 -> const, при пКМпо4 > Прехг' где а' и /?' - коэффициенты пропорциональности для легко и трудно окисляемых глюкозных колец; nKMn0t - количество окислителя; const - константа, зависящая от строения декстрана.

В третьей главе описана разработка фотометрической методики для определения свойств получаемых ПАД, приведены результаты исследований параметров, влияющих на процесс окисления декстрана, полученные в лабораторных условиях; проведен анализ полученных данных и определены оптимальные значения технологических параметров процесса окисления декстранов (количество окислителя, рН и температура).

Оценка качества получаемых ПАД проводилась на основании содержания альдегидных групп, для аналитического определения которых была разработана фотометрическая методика с использованием 2,4-динитрофенилгидразина. Градуировочный график строился на растворе стандартного вещества орото-фтальальдегид-бмс-[(2,4-динитрофенил) гидразона] (>.=427 нм). В кюветы для фотометра набирались три серии раствора стандарта (М=6,810"4 моль/литр) по восемь аликвот объемом -10, 30, 40, 50, 80, 100, 150 и 250 мкл. Объем в каждой кювете доводился демитилсульфоксидом (ДМСО) до 1 мл. Прибавлялось 2,3 мл 0,1 М

водного раствора КОН. Раствор сравнения 1 мл ДМСО и 2 мл 0,1 М водного раствора КОН. Анализ проводился через 60 с, при длине волны Х=430 им. Процесс анализа оптической плотности для образцов конъюгатов ПАД с динитрофенилгидразоном (ДНФГ) со средней молекулярной массой 35 кДа № 1, 2, 3 и 4 проводился по методике построения градуировочного графика. Результаты приведены в таблице 2. В качестве метода сравнения использовался элементный анализ. Показатели содержания альдегидных групп, рассчитанные из данных, полученных методом фотометрии, коррелировался с данными, полученными методом элементного анализа.

ПАД со средней молекулярной массой 35 кДа и 60 кДа, с различным содержанием альдегидных групп получался окислением 2 % водным раствором перманганата калия 10 % раствора декстрана в присутствии 0,5 % об. 33 % уксусной кислоты. Параметры кислотности и температуры процесса окисления составляли: рН 1,0-7,0 и Т =23-85 °С. Режимы окисления соответствовали выбору количества окислителя: 1 - режим низкой степени окисленности (образец № 1 - 0,5 % об.), 2 - два режима средней окисленности (образец № 2 - 1 % об. и образец № 3 - 2 % об. -рабочий режим) и режим высокой окисленности (образец № 4 - 4 % об.). Нагретую реакционную массу выдерживали до выпадения коричневого хлопьевидного осадка двуокиси марганца. Продукт выделяли осаждением двукратным избытком 95 % этилового спирта, отфильтровывали, промывали этиловым спиртом и сушили при 60 °С. Содержание альдегидных групп определяли с использованием разработанной фотометрической методики.

Таблица 2 - Содержание карбонильных групп на молекулу ПАД (35 кДа) образцы № 1, 2, 3 и 4_

№ Оптич. плотн. >.=430 нм Расч. содер. карб. фупп Содер. карб. групп (элем, ан.) Содер. карб. групп (фот.мет. ), (JV)

} 0,248 8,85 7,3 6,8

2 0,402 17.7 13,5 12,3

3 0,832 35,4 23,8 23,2

4 1,379 70,8 43,1 42,5

Определение характера строения ПАД и механизма реакции окисления декстранов перманганатом калия исследовался методом высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ). Результаты анализа ПАД методом ВЭЖХ показали неполное окисление образца № 2, достаточное окисление без деструкции молекул образца № 3 и переокисление с деструкцией молекул образца № 4.

Результаты анализа ПАД методом ядерно-магнитного резонанса

(ЯМР) 'Н образца ПАД № 3 с Mw = 35 кДа в DzO (400 MHz) содержат характеристические химические сдвиги при 7,68-8,94 м.д.

соответствующие сигналам различных форм альдегидных групп, получившихся в результате деструкции, гидратации и циклизации. Химические сдвиги при 8,81 м.д. и 8,94 м.д. принадлежат негидратированным альдегидным группам и их гидратированной форме, а пики при 7,68 м.д. и 8,16 м.д. полуацеталям.

ИК-спектр ПАД содержит слабую по величине полосу поглощения при 1712 см"1, отсутствующую валентным колебаниям двойной -С=0 связи в альдегидной группе. В результате предварительных экспериментов по окислению декстранов было установлено, что основными параметрами, влияющими на процесс, являются: количество вводимого в реакцию окислителя, температура реакционной массы и кислотность среды. Специфические конструкционные особенности аппаратов (тип мешалки, тип нагревателя и пр.) производственной линии не учитывались при рассмотрении влияющих параметров процесса. Для определения количества окислителя в рабочем режиме был проведён ряд экспериментов по окислению декстрана различным количеством 2 % раствора перманганата калия - от 0,5 до 5,0 % об.

Точные значения оптимальных параметров процесса окисления определялись как точки перегиба на соответствующих графиках зависимостей. Для определения точек перегиба были найдены максимумы вторых производных исследуемых функций от влияющих параметров (времени или количества окислителя). Графики производных аппроксимировались функцией нормального распределения Гаусса.

На рисунке 3 представлены графики зависимости содержания альдегидных групп в продуктах реакции от количества используемого окислителя. Для определения его оптимального значения строилась зависимость производной количества альдегидных групп от количества окислителя (рисунок 4).

•? 02

Количество окислителя, мл

1 - ПАД 35 к Да; 2 - ПАД 60 кДа; 1а, 2Ъ - матмодели 35 кДа и 60 кДа

1 г з 4 Количесс во окислится*,'«б.

1 - ПАД 35 кДа; 2 - ПАД 60 кДа, пунктир - аппроксимация по Гаусу

Рисунок 3 - Влияние окислителя на содержание альдегидных групп в ПАД

Рисунок 4 - График производной зависимости альдегидных групп (ЭОх) от количества окислителя (Ох)

В результате экспериментально установлено, что количество окислителя, обеспечивающего максимальную скорость процесса, является 1,7 % об. (для ПАД 35) и 2,7 % об. (для ПАД 60), что соответствует точке перегиба кривых 1 и 2.

Основываясь на предложенной теоретической модели процесса окисления и полученных результатах, были определены коэффициенты для формулы (10). Декстран 35 кДа: а' = 0,421 и/?' = 0, прнпКМп04 < < Пд"'-, а' ■ пКМп0а = 0,557 и/Г = 0,0526, при пКМп04 > пл£ . Декстран 60 кДа: а' = 0,2346 и /?' = 0, при пКМп0^ < " "-кмпо< = 0,606 и Р' = 0,0311, при пКМп04 > п^.

При определении параметров значения рН процесса окисления полагали, что процесс протекает как реакция псевдопервого порядка. Изменение активационного барьера реакции и константы реакции происходит в соответствии с уравнением Бренстеда:

1дка = 1дк0 + а-1дКа, (11)

где ка - каталитическая константа реакции; к0 - константа скорости реакции; а - константа, характеризующая реакционную серию и чувствительность скорости реакции; Ка- константа кислотности кислоты.

Вычисляя значения кк%° и а, полагали, что при рН 7,0 процесс окисления протекает без протонирования перманганат-иона.

= /^Мо (12)

1дКа '

где Ка - константа кислотности кислоты, для соляной кислоты равная 107 моль/дм3.

к15 = 2,95 ■ Ю-4 сек"1, к™ = 2,32 • 10"4 сек"1, а35=0,023 а6°=0,012

Оптимальное количество кислоты было определено по экспериментальным графикам (рисунки 5, 6) как точка перегиба кривых 1 и 2, представляющих собой производную количества кислоты (пунктирной линией показана аппроксимация графиков функцией Гаусса) и оптимальный режим кислотности рН 3-4.

Как видно на рисунках 7 и 8 увеличение кислотности в реакции окисления декстранов со средней молекулярной массой 35 и 60 кДа не дает большого различия в показателе выхода продукта реакции. Изменение значения рН из нейтральной области в сильнокислую снижает выход основного продукта на 0,5 %, и находится в пределах статистической погрешности. Наиболее вероятно, что общее снижение выхода продукта реакции обусловлено частичной кислотной деградацией полимера.

Исходя из результатов исследований зависимости выхода продуктов в реакции окисления декстранов перманганатом калия, можно сделать вывод о целесообразности использования значений рН 3—4 при которых обеспечивается высокая скорость протекания реакции.

Данные о кинетических характеристиках процесса были вычислены с использованием времени полуреакции т. Для определения значения температуры окисления при получении ПАД полагали, что процесс

протекает как реакция первого порядка и подчиняется правилу Вант-Гоффа:

1 __

(13)

„ т« 6.Т

^ = -¿Л = VI?

VI Т<? 7 ' 1 1/2

где и т^г время полуреакции для двух экспериментов, е.;

М - разность температур реакции для соответствующих полувремён для двух экспериментов; у - температурный коэффициент реакции.

/ Л / УУ

15

Д2

А'..*

/г

А'

X.', -0.5

¿л

Л -|,о

-1.5 •2,0

0 2 4 6 8

1 - ПАД 35 кДа; 2 - ПАД 60 кДа; 3 -математическая модель

Рисунок 5 - Зависимость времени т«

полуреакций окисления Т1/2

декстранов от разности температур

50 60 70 80 В!

Температура, ЛС

1 - ПАД 60 кДа; 2 - ПАД 35 кДа; пунктир - аппроксимация по Гаусу Рисунок 6 - Зависимость производной времени полуреакции

тм 1/2

-щ от температуры окисления Т1/2

= 0.92 р-

5

| 0.90

ч

0.83

^

^ 0.86 с'

~ 0.84

2 3 " рН 5 6 7

1 -ПАД№3;2-ПАД№4 Рисунок 7 - Влияние рН среды на выход ПАД (60 кДа)

©- 0.90

зГ

=г 0.85

14 я

•5 о. 0.80

и

>. 0.75

Ь'

с.

п 0.70

о

аэ

рН

1 - ПАД №3; 2-ПАД №4 Рисунок 8 - Влияние рН среды на выход ПАД (35 кДа)

Значения температурных коэффициентов реакции окисления декстрана определялось, аппроксимируя экспериментальные данные зависимости отношения времени полуреакций к нормированной разности

температур (рисунок 9). Для ПАД с молекулярной массой 35 кДа у33= 1,85±0,07; для ПАД 60 кДа yw= 1,91±0,18.

Снижение времени полуреакции на рисунке 10 является следствием процессов межмолекулярной агрегации декстрана и нарушением правила Вант-Гоффа. При выборе температурного режима процесса окисления учитывалось влияние на механизм процесса агрегации молекул декстрана температуры реакционной массы, заключающееся в ограничении верхнего значения температуры (85 °С) в связи с возможной деструкцией полимера, а значит снижением качества получаемых ПАД. Агрегация декстрана сопровождается затруднением доступа окислителя к остову макромолекул и приводит к неравномерному, поверхностному окислению, с усилением деструкции концевых цепей. Таким образом, в качестве значения температуры (70-75 °С для 35кДа, 75-80 °С для 60 кДа).

В 30

5' 28

3 Й 26 iL

п

' 1-

i ■

// г/ '

--b-'b'-f

■rV

3.0 2.5 2.0 _1.5

Ml, 0

0.5 00

Кисл^шс'сп. расгвс^ра. рН

1,2 — экспериментальные кривые для ПАД 35 и 60 кДа; 1а, 2Ь - расчетные

кривые для 35 и 60 кДа Рисунок 9 - Влияние кислотности среды на время полуреакции окисления декстранов

0 12 3 4 5 6

К'ислотность растьора, р(1

1 - ПАД 35 кДа; 2 - ПАД 60 кДа; пунктир - аппроксимация по Гаусу

Рисунок 10 - Зависимость производной времени полуреакции

тС1)

-Щ от кислотности среды (рН) Т1/2

Исследования влияния температуры на выход продукта в реакции окисления декстрана (рисунки 11 и 12), показали, что минимальное и среднее количество окислителя (графики 1 и 2) слабо влияет на показатель. Использование избыточного количества окислителя (график 3) приводит к небольшому снижению выхода продукта реакции при высокой температуре. Снижение параметра выхода продукта для различных степеней окисленности остаётся в допустимых пределах статистической обработки.

Сравнение экспериментальных данных зависимости содержания альдегидных групп в ПАД от количества используемого окислителя (рисунки 3, 4), времени полуреакции от кислотности среды (рисунки 5, 6) и зависимости времени полуреакции процесса окисления от температуры (рисунки 9, 10) с данными теоретической модели процесса окисления -

выражение (7), показывают аддитивность разработанной теоретической модели с экспериментальными данными (отклонение экспериментальных данных от теоретических составляет не более 10 %). Значительное расхождение экспериментальных данных и теоретической модели при рН 4-7 можно объяснить тем, что указанная область соответствует процессу, в котором происходит значительный расход кислоты.

« . . у Л

£

э

14 Я

а

а

ЕТ0.6

И 40 50 60 70 90 90 100

Температура. С'с

1- образец ПАД № 2; 2 - образец ПАД № 3; 3 - образец ПАД № 4 Рисунок 11 - Влияние температуры на выход ПАД (60 кДа)

50 ео 70 Температура,

1- образец ПАД № 2; 2 - образец ПАД № 3; 3 - образец ПАД № 4 Рисунок 12 - Влияние температуры на выход ПАД (35 к Да)

Четвертая глава содержит результаты отработки процесса окисления декстрана с молекулярной массой 35 кДа в промышленном реакторе производственной линии получения ПАД в ОАО «ФНПЦ «Алтай». Представлены рекомендации по составу аппаратов технологической линии получения ПАД окислением перманганатом калия (рисунок 13). Сырье загружается в реактор окисления 3, выполненный из нержавеющей стали, оборудованный рубашкой обогрева и мешалкой. Для нагрева теплоносителя в рубашке используется термостат 2. После реактора окисления реакционная масса проходит очистку от взвеси

диоксида марганца на фильтре 4. Очищенный от механических примесей продукт с помощью вакуума перекачивается в промежуточную емкость 5. Для более глубокой очистки рекомендуется пропустить раствор через ионообменную колонку 6 в промежуточную емкость 7. Для получения порошкообразного

продукта рекомендуется

распылительная сушилка 8. Реакционная масса передается при помощи вакуума, создаваемого вакуумным насосом 1.

Рисунок 13 - Технологическая схема установки получения ПАД

Для отработки технологии получения ПАД в промышленных условиях проводились исследования процесса окисления на реакторе Р50.130-00.000 ООО «Артлайф-техно» (г. Юрга) объемом 50 л, который входит в технологическую линию получения ПАД в ОАО «ФНПЦ «Алтай». Для этого проводился полный факторный эксперимент, при котором в качестве варьируемых параметров были: температура, кислотность реакционной смеси, количество окислителя, скорость перемешивания реакционной смеси (частота вращения мешалки) и время проведения процесса; определяемого параметра - количество альдегидных групп в ПАД - характеристика качества получаемого полисахарида.

Для определения граничных значений технологических параметров: частоты вращения мешалки и времени проведения процесса проводился однофакторный эксперимент (рисунки 14-17) при варьировании рН и температуры раствора, количества окислителя, частоты вращения мешалки. В результате анализа полученных зависимостей и результатов экспериментальных исследований процесса окисления в лабораторных условиях были приняты следующие граничные значения варьируемых параметров: температура раствора 70 и 75 °С, кислотность раствора рН 3 и 4, количество окислителя 1,5 и 2,0 % об., частота вращения мешалки 100 об./мин и 300 об./мин, время проведения процесса 20 и 40 мин.

Результаты, полученные при проведении полного факторного эксперимента, обрабатывались при помощи комплекса «ЗСаНз^са 6.1». В результате было получено эмпирическое уравнение зависимости количества альдегидных групп от технологических параметров процесса: А = 0,034 + 0,1С + 0,15г + 0,0013Сг + 0,004« - 0,004 рН + + 0,0036/ + 0,0008?Ст, (14)

где А - количество альдегидных групп, мкМ/мг; г - время окисления, мин;

п

С

частота вращения мешалки, об/мин; / - температура раствора, - количество окислителя, %; рН - кислотность раствора. 0,6

-

.лг-;

// ,с>'

'С;

40 рН 4 -

Рисунок 14 - Выход альдегидных групп от времени окисления для различных значений кислотности среды

-----40 °С ......... 60 °С -75 °С

Рисунок 15 - Выход альдегидных групп от времени окисления для различных значений температуры реакционной массы

1, мин

-----60 об/мин ......... 120 об/мин

-— 180 об/мин —г — 240 об/мин

Рисунок 16 - Выход альдегидных групп от времени окисления для различных значений частот вращения мешалки

Значимость коэффициентов уравнения регрессии соответствует доверительной вероятности 95 %.

Для определения оптимальных режимов получения ПАД за критерии оптимизации была выбрана t ——> min - производительность процесса (время окисления) при обеспечении требуемого количества альдегидных групп в ПАД. В результате для опытно-промышленного производства ОАО «ФНПЦ «Алтай» для получения ПАД с количеством альдегидных групп 2-5 % масс, при минимальной производительности процесса были установлены следующие режимы: кислотность среды pH 3, температура среды t=70 °С, объемная доля вводимого количества окислителя (2 % масс. КМп04) С = 1,65 % об., частота вращения мешалки и=100 об/мин., время процесса окисления декстрана т=20 мин.

о

20 40 60 т, мин -----0,5% об. ......... 1,0% об. -2,0% об.

Рисунок 17 - Выход альдегидных групп от времени окисления для различных значений количества окислителя

Для исследования процесса очистки водного раствора ПАД от частиц Мп02 с помощью фильтрования были определены размеры частиц (более 0,9 мкм) при помощи растрового электронного микроскопа. На основании этого определены допустимые размеры пор фильтрующего материала. Исследование процесса фильтрации раствора окисленного декстрана проводилась на друк-фильтре, оборудованном манометром и краном, с использованием мембран марок МФАС-ОС-2 (размер пор 0,45 мкм), МФАС-ОС-4 (размер пор 0,6 мкм), МФАС-ОС-3 (размер пор 0,8 мкм) производства ЗАО НТЦ «Владипор». Поверхность фильтрации 7,06 см . Давление внутри друк-фильтра составляло 0,1 МПа и создавалось компрессором.

В результате исследований были определены следующие показатели: гидравлическое сопротивление мембраны МФАС-ОС-2 -9,8109 м'1; удельное сопротивление осадка диоксида марганца - 1,831013 м" ; плотность осадка диоксида марганца - 3600 кг/м3. Получены зависимости удельной производительности мембран \УФ от времени фильтрации г (рисунок 18).

5 10 15 т, мин

- МФАС-ОС-2 я - МФАС-ОС-3 •> - МФАС-ОС-4

Рисунок 18 - Производительность мембран при фильтрации Мп02

Ввиду того, что на мембране МФАС-ОС-3 производительность наибольшая, процесс фильтрации диоксида марганца предпочтительно проводить на ней. В производственной линии фильтруется 20 л раствора ПАД, что занимает около 4 минут при использовании мембраны МФАС-ОС-3 (вертикальная линия).

Как показали анализы получаемого фильтрата, использование мембраны марки МФАС-ОС-3 позволяет получать допустимое содержание примеси диоксида марганца.

Разработанный технологический процесс получения окисленного декстрана, отработанный и реализованный в ОАО «ФНПЦ «Алтай», обеспечил получение ПАД требуемой чистоты для медицинского назначения. В 2012 году начаты работы по созданию противотуберкулезного лекарственного средства с использованием ПАД, получаемого по технологии окисления декстрана перманганатом калия, в рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» по государственному контракту 14.N08.12.0007 «Доклинические исследования противотуберкулезной фармацевтической композиции на основе коньюгата гидразида изоникотиновой кислоты и декстрана».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполненного исследования разработан и освоен технологический процесс получения полиальдегиддекстранов при окислении декстранов перманганатом калия. При этом получены следующие результаты:

1. Исследованы закономерности окисления декстранов перманганатом калия, на основании которых разработана теоретическая модель этого процесса, позволяющая определять степень окисляемости глюкозных колец и их поведение при окислении.

2. Разработана оригинальная фотометрическая методика контроля качества ПАД, получаемых в процессе окисления декстранов перманганатом калия, позволяющая производить оценку продукта с малым содержанием альдегидных групп.

3. Изучено влияние технологических параметров процесса окисления на свойства ПАД, в результате чего установлены экспериментальные зависимости влияния количества окислителя, температуры и кислотности реакционной среды на время реакции и качество получаемых окисленных декстранов.

4. Предложено эмпирическое уравнение зависимости количества альдегидных групп от технологических параметров, позволившее определить оптимальные режимы окисления декстрана при получении ПАД в ОАО «ФНПЦ «Алтай»: количество окислителя КМп04 1,65 % об.,

кислотность реакционной массы pH 3,0, температура проведения процесса 70 °С. Выданы -рекомендации по применению результатов исследований при проектировании стадий окисления и фильтрации технологического процесса получения ПАД.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Медведев, B.C. Полученйе меченного флуоресцеином окисленного декстрана и определение эффективности его захвата клетками-мишенями / B.C. Медведев, Н.С. Зайцева // Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы: Материалы ежегодной VIII-й Всероссийской школы-семинара для студентов, аспирантов и молодых ученых - Белгород, 2010.-С. 89-92.

2. Пат. 2426554 Российская Федерация, МПК А61К 31/721, C08L 5/02, С07С 245/12, A61J 3/00 Способ получения флуоресцентных производных декстранов / В.А. Шкурупий, Н.Г. Лузгина, A.B. Троицкий, Е.П. Гуляева, Т.Н. Быстрова, B.C. Медведев; заявитель и патентообладатель НЦКЭМ СО РАМН. - № 2010116514; заявл. 26.04.10; опубл. 20.08.11,Бюл. № 23. - 5 с.

3. Медведев, B.C. Методы определения количества альдегидных групп в полиальдегиддекстране с применением 2,4-динитрофенилгидразина / B.C. Медведев, A.B. Троицкий, Т.В. Быстрова, В.А. Шкурупий //Химико-фармацевтический журнал. -2012. — №8. — С.78 — 82.

4. Медведев, B.C. Метод получения меченных флуоресцеином декстранов и полиальдегидцекстранов / B.C. Медведев,

A.B. Троицкий, Е.П. Гуляева, и др. // Вестник новых медицинских технологий. -2012. - № 4. - С. 104 -106.

5. Медведев, B.C. Совершенствование технологии окисления декстранов / B.C. Медведев, A.C. Жарков, Б.В. Певченко, и др. // Ползуновский вестник. - 2013. - № 3. - С. 143 -148.

6. Медведев, В.С.Определение оптимального режима технологического процесса окисления декстрана / B.C. Медведев,

B.Н. Беляев, Д.Ю. Глазев // Управление качеством образования, продукции и окружающей среды: Материалы VII-й Всероссийской научно-практической конференции. - Бийск, 2013. - С. 140 - 142.

Подписано в печать 24.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать -ризография. Усл. печ. л. - 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 2404. Отпечатано в ООО «Издательский дом «Бия» 659333, Россия, Алтайский край, Бийск, пер. Муромцевский, 2.

ФГБУ «НАУЧНЫЙ ЦЕНТР КЛИНИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

МЕДИЦИНЫ» СО РАМН ОАО «ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР «АЛТАЙ»

На правах рукописи

Медведев Владимир Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИАЛЬДЕГИДДЕКСТРАНОВ ОКИСЛЕНИЕМ ДЕКСТРАНОВ

ПЕРМАНГАНАТОМ КАЛИЯ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

канд. техн. наук, доцент Певченко Б. В.

Бийск - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ДЕКСТРАНАМ И ПОЛИАЛЬДЕГИДДЕКСТРАНАМ...........................................................................8

1.1 Актуальность использования полиальдегиддекстранов для получения фармацевтических препаратов...................................................................................8

1.2 Декстраны и способы их получения...................................................................9

1.3 Производственная линия получения клинического декстрана......................17

1.4 Методы получения полиальдегиддекстранов..................................................20

окислением декстранов.............................................................................................20

1.4.1 Окисление декстранов йодной кислотой и периодатами щелочных металлов.....................................................................................................................20

1.4.2 Окисление декстранов у-излучением............................................................23

1.4.3 Окисление декстранов перманганатом калия...............................................25

1.5 Молекулярная структура и механизм реакции получения ПАД....................27

1.6 Аналитические методы определения количества карбонильных групп.......33

в полиальдегиддекстранах........................................................................................33

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ КИНЕТИЧЕСКИХ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ ДЕКСТРАНА ПЕРМАНГАНАТОМ КАЛИЯ.................................................................................36

2.1 Определение термодинамических параметров модели окисления декстрана перманганатом калия..............................................................................36

2.2 Определение кинетических параметров модели окисления декстрана перманганатом калия................................................................................................40

2.3 Влияние высокой молекулярной массы декстрана на параметры модели

окисления декстрана перманганатом калия...........................................................42

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ОКИСЛЕНИЯ ДЕКСТРАНА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ......................47

3.1 Объекты и методы исследования процесса окисления декстрана.................47

3.2 Определение влияющих параметров в контрольных технологических точках процесса получения ПАД............................................................................49

3.3 Приготовление клинических декстранов, ПАД и конъюгатов ПАД.............50

с 2,4-динитрофенилгидразином и флуоресцеином...............................................50

3.4 Определение содержания альдегидных групп в ПАД.....................................53

3.5 Определение времени полуреакции процесса окисления декстрана.............58

3.6 Определение количества окислителя (КМп04) в реакции..............................62

получения ПАД.........................................................................................................62

3.8 Определение режима кислотности реакции окисления декстранов перманганатом калия................................................................................................71

3.9 Физико-химический анализ структуры и состава декстранов, полиальдегиддекстранов и их конъюгатов (ИК-спектроскопия, УФ-спектроскопия, ПМР, ЯМР 13С, ВЭЖХ).........................................................76

3.10 Очистка продуктов реакции ПАД с флуоресцеином....................................86

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ ДЕКСТРАНА.........90

В УСЛОВИЯХ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА...............90

4.1 Определение оптимальных параметров процесса окисления декстрана......91

в промышленном реакторе.......................................................................................91

4.2 Определение зависимостей окисления декстрана перманганатом калия.....96

в условиях промышленного реактора.....................................................................96

4.3 Очистка ПАД от диоксида марганца фильтрованием.....................................99

4.4 Рекомендации по выбору аппаратурно-технического исполнения

производственной линии получения ПАД...........................................................106

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ................................................................110

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................................................................111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

В современной медицине широкое применение нашли препараты на основе декстранов - природных полисахаридов биологического происхождения. К ним относят сульфат декстрана, диэтиламиноэтилдекстран, комплекс железо-декстран, гидрогели на основе декстрана. В качестве плазмозамещающих препаратов в клинической практике используют водные растворы декстранов: реополиглюкин, полиглюкин и др. В настоящее время одним из перспективных веществ на основе декстрана для создания новых фармацевтических препаратов являются окисленные декстраны, а именно полиальдегиддекстран (ПАД).

Разработка технологии получения ПАД способствует решению задач создания высокотехнологичного отечественного промышленного фармацевтического комплекса и повышения лекарственной независимости страны, определенной федеральной целевой программой «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу».

Наибольшее применение в практике получения полиальдегидцекстранов получили два метода: химический - с использованием периодатов щелочных металлов, и физический - с применением жесткого гамма-излучения. Основными недостатками существующих процессов окисления являются: необходимость применять трудозатратные процессы очистки конечного продукта от неорганических йодпроизводных, наличие которых ограничивает применение ПАД в медицине, нестабильность структуры получаемых физическим методом полисахаридов.

Учитывая недостатки существующих методов синтеза ПАД, разработка нового метода получения ПАД и создание технологии окисления декстранов для получения конкурентоспособных фармацевтических препаратов являются актуальным.

Исследования по разработке технологии получения

полиальдегиддекстранов проводились в рамках реализации Федеральной целевой

программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы» по государственному контракту № 16.522.12.2001 «Разработка технологии и создание опытного производства окисленных декстранов».

Цель исследования - разработка технологического процесса окисления декстранов при применении перманганата калия в качестве окислителя.

Задачи исследований:

1. Исследовать закономерности процесса окисления декстранов перманганатом калия.

2. Разработать методику оценки качества получаемого окисленного декстрана.

3. Изучить влияние технологических параметров процесса окисления декстранов (количество окислителя, температура, рН) на свойства получаемых ПАД.

4. Определить технологические режимы процесса получения окисленных декстранов в условиях опытно-промышленного производства и разработать практические рекомендации по применению результатов работы в производстве ПАД.

Объект, предмет и методы исследования. Объектом исследования является процесс получения ПАД с использованием перманганата калия. Предметом исследования являются параметры, влияющие на эффективность окисления (температура, рН, количество окислителя).

В процессе выполнения работы были использованы экспериментальные и расчетно-аналитические методы, методы теоретического и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы:

1. Выполнено научное обоснование технологии получения ПАД с использованием в качестве окислителя перманганата калия, обеспечивающей выпуск продукта высокого качества.

2. Установлены зависимости выхода ПАД и количества окисленных групп в ПАД от технологических параметров процесса окисления, позволяющие оценить степень их влияния на свойства целевого продукта.

3. Разработана теоретическая модель процесса окисления ПАД, учитывающая различие в энергиях окисления глюкозных колец, позволяющая определять степень их окисляемости и поведение при окислении.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Разработана методика определения содержания альдегидных групп для оценки качества получаемых ПАД.

2. Разработан способ окисления декстрана, который позволил обеспечить требуемое качество продукта с заданной производительностью.

3. Разработана технологическая схема производства ПАД.

4. Разработаны и внедрены в опытно-промышленное производство окисленных декстранов ОАО «ФНПЦ «Алтай» практические рекомендации по получению ПАД.

5. Результаты работы положены в основу при создании противотуберкулезного лекарственного препарата в рамках реализации федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» по государственному контракту 14.N08.12.0007 «Доклинические исследования противотуберкулезной фармацевтической композиции на основе коньюгата гидразида изоникотиновой кислоты и декстрана».

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимости производительности процесса окисления и качества ПАД от технологических параметров.

2. Способ окисления декстрана перманганатом калия для получения ПАД.

3. Теоретическая модель процесса окисления декстрана, учитывающая различие в энергиях окисления глюкозных колец декстрана и высокую молекулярную массу объекта.

4. Методика определения содержания альдегидных групп для оценки качества получаемых ПАД.

Личный вклад автора. Разработка плана исследований, проведение экспериментальных исследований и теоретического моделирования процесса окисления декстранов, обработка полученных данных, обсуждение результатов, формулировка выводов, подготовка публикаций по теме диссертационной работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на Ш-ей Всероссийской школе-семинаре для студентов, аспирантов и молодых ученых «Нанобиотехнологии: проблемы и перспективы» (Россия, г. Белгород, 2010 г.), VII-й Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (Россия, г. Бийск, 2013 г.), кафедре «ТГВ ПАХТ» БТИ АлтГТУ, НТС ОАО «ФНПЦ «Алтай», общих семинарах ФГБУ «НЦКЭМ» СО РАМН.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, в том числе один патент РФ, и три статьи в изданиях, входящих в перечень рецензируемых изданий и журналов.

Представленная диссертационная работа автора содержит ряд материалов, которые выполнены совместно со Шкурупием В.А., Беляевым В.Н. Троицким A.B., Глазевым Д.Ю., научным руководителем Певченко Б.В. и др.

Автор выражает признательность соавторам публикаций за содействие в проведении диссертационных исследований и рекомендации при написании диссертации, а также В.Г. Васильеву, В.В. Кандауровой и Ю.В. Гатилову за помощь в организации и проведении совместных работ по регистрации ЯМР, ИК-спектров и элементного анализа экспериментальных образцов полиальдегиддекстранов.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ДЕКСТРАНАМ И

ПОЛИАЛЬДЕГИДДЕКСТРАНАМ

1.1 Актуальность использования полиальдегиддекстранов для получения

фармацевтических препаратов

Областями активных разработок в тематике создания фармацевтических субстанций на основе ПАД являются: создание новых наногелей и препаратов со свойствами адресной доставки лекарств. Области применения ПАД обширны и включают в себя как методы лечения, так и диагностику заболеваний. Например, в этих целях может использоваться модифицированный декстран с инкапсулированными люминесцентными красителями (Сё8е - для

последующей биологической маркировки. ПАД могут применяться для создания препарата с оксидом железа в целях замены дорогостоящих и токсичных маркеров для томографических исследований. Методики создания различных наногелей на основе декстрана принципиально схожи и состоят из трёх основных этапов: активации декстрана окислением, взаимодействия активированного декстрана с линкером, выделения геля в свободной форме. Процесс получения лекарственных препаратов с адресными свойствами можно разделить на несколько основных этапов:

1. Активация декстрана - обычно процесс заключается в формировании свободных альдегидных групп в составе молекулы декстрана её окислением. Другой способ активации заключается во введении в состав молекулы декстрана активных групп с помощью линкера. Иногда эти методики совмещают.

2. Присоединение лекарственного препарата к активированной молекуле ПАД. Зачастую этот процесс проходит селективно по месту активации и не сопровождается образованием побочных продуктов.

3. Выделение образовавшегося лекарственного препарата. Лекарственные препараты со свойствами адресной доставки имеют невысокую устойчивость

в свободной форме и требуют выделения в инактивированной форме.

Большое внимание к ПАД как к возможно новому препарату для создания лекарственных форм с направленным действием обусловлено его уникальными свойствами. ПАД, как структурный аналог декстрана не проявляет свойств аллергена и легко перерабатывается в организме. Наночастицы гелей на основе ПАД не отторгаются тканями человека, а возможность варьирования молекулярной массы исходных молекул позволяет увеличить направленное действие препарата.

1.2 Декстраны и способы их получения

Декстраны - представители гомополимеров целлюлозы с преимущественным содержанием а-(1-6) связей (50-97) % [1]. На рисунке 1.1 показана структура части основной цепи декстрана, содержащей разветвление на 2, 3 и 4 атомах углерода глюкозных циклов с образованием ответвлений а-(1-2), а-(1-3), а-(1^) боковых цепей соответственно. Степень и характер ветвления цепи полимера в основном зависит от штамма бактерий-продуцентов [2, 3]. Способность синтезировать содержащую декстран слизистую массу из сахарозы была открыта Луи Пастером в 1861 г. у бактерий, позже названных «Leuconostoc mesenteroides». В дальнейшем способность синтезировать декстран была обнаружена у штаммов Streptococcus и некоторых других [4, 5]. Наиболее изучены среди известных образцов декстрана фракции, полученные от штамма бактерий Leuconostroc mesenteroides (в частности Leuconostroc mesenteroides NRRL B-512(F)), что обусловлено коммерческой доступностью препарата и важностью для медицинского применения ввиду высокого содержания а-(1-6) связей [6]. Современный процесс получения коммерческих декстранов заключается в кислотном гидролизе неорганическими кислотами нативных декстранов, полученных из продуктов жизнедеятельности бактерий, и дальнейшем фракционировании водорастворимых фаз в целях получения чистых продуктов с заданной средней молекулярной массой (Mw) [7]. В таблице 1

приведены примеры составов цепей нескольких фракций декстрана, произведенных различными штаммами бактерий [8, 9].

о

он !

Рисунок 1.1- Структура декстрана

Таблица 1 - Количество различных типов гликозидных связей в декстранах разных штаммов бактерий

Продуцирующий штамм Растворимость в воде Виды а-связей, %

1->6 1—>2 1->3 1—>4

Lm NRRL В-512F + 95 5

Lm NRRL В—1355 + 54 46

Lm NRRL В-1299 + 68 29 3

Lm NRRL В-742 (фракция 2) — 87 13

S mutants 6715 + 64 36

S mutants GS5 + 70 30

S downei + 90 10

Предварительные данные о структуре декстранов можно получить методами оптического вращения, инфракрасной спектроскопии и в реакциях

окисления периодатами щелочных металлов по методу Смитта [10], а более детальные структурные данные применением реакции метилирования [11]. Процесс заключается в метилировании гидроксильных групп декстранов в присутствии йодистого метила с предварительной их активацией метилсульфонилметилом натрия (рисунок 1.2).

но но

НО—

ОН I

1 МаСНг-ЭО-СНз

2 СН31

Н,СО

Н*!НгОу---- н,СО

н3со '

Н3СО ''он

о о || II

НзСС-О-ССНз

н3со-

Н3СС0Н2С

II

о

о

II

СН2ОССН3

—ОСН3 —ОССН3

II

о

ЫаВН4

СН2ОН

— ОСН3

— ОСН3

—он сн2он

гжх-мс

Рисунок 1.2 - Анализ декстрана реакцией метилирования

Метилированные декстраны полностью гидролизуются неорганическими кислотами в соответствующие различные моносахариды, которые далее восстанавливаются боргидридом натрия и переацетилируются ангидридом уксусной кислоты. Полученные ацилпроизводные моносахаридов разделяются методом газовой хроматографии и идентифицируются по времени удержания. В частности, комбинированная капиллярная газожидкостная хромато-масс спектрометрия (ГЖХ-МС) является эффективным методом для определения структуры декстрана [12, 13]. Помимо выше перечисленных методов, данные о структуре могут быть получены с использованием деградирующих ферментов,

тонкослойной хроматографии, ВЭЖХ и ЯМР-спектроскопии 13С [14, 15]. Однако при использовании таких методов необходимо проводить трудоёмкую химическую модификацию декстранов �