Проекты

Метод твёрдых дисперсий – перспективный способ повышения растворимости малорастворимых в воде лекарственных веществ на примере метронидазола

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Фармацевтическая технология»

Направление работы: Фармация
Авторы работы: ГБОУ Школа № 444
Предметы: Химия
Классы: 11 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину» 2020 года

Актуальность

В фармации актуальным вопросом является повышение биодоступности лекарственных форм (ЛФ) для повышения их эффективности. Повышение растворимости препарата – один из возможных путей к улучшению биодоступности ЛФ. Метронидазол является эффективным средством для лечения специфических протозойных инфекций, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, инфекционных заболеваний пародонта, гнойно-воспалительных процессов челюстно-лицевой области и др. Существенным препятствием к дальнейшей разработке инновационных быстрорастворимых ЛФ метронидазола является его низкая растворимость в воде. Для повышения растворимости перспективен метод введения действующего вещества (ДВ) в твёрдые дисперсии (ТД).

Цель

Изучить влияние получения твёрдой дисперсии метронидазола на его растворимость в воде.

Задачи

1. Изучить кинетику растворения субстанции метронидазола в воде.

2. Получить ТД метронидазола с полимером полиэтиленгликоль с молекулярной массой 1500 г/моль (ПЭГ).

3. Изучить кинетику растворения ТД метронидазола в воде.

4. Провести анализ динамики растворения метронидазола из полученных образцов.

5. Изучить причины изменения растворимости метронидазола из ТД (микрокристаллоскопический анализ и оптические исследования).

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Спектрофотометр UNICO-2800

• Микроскоп Levenhuk 50L NG

• Монокулярный микроскоп с цифровой камерой Levenhuk M200 BASE

• Шприц со шприцевой насадкой BIOFIL с размером пор 0,45 мкм

• Лабораторная посуда (коническая колба 250 мл, бюретка)

• Магнитная мешалка

• Водяная баня с вакуумным насосом

• Кварцевые кюветы с толщиной слоя 1 см

Описание

Автор провёл три эксперимента с растворением чистого метронидазола-субстанции и твёрдой дисперсии (ТД) метронидазола с разными массовыми соотношениями действующего вещества (ДВ) и полимера-носителя – ПЭГ. ТД метронидазола получили методом удаления растворителя. Рассчитанные количества ДВ и ПЭГ растворили в этаноле, затем (при перемешивании на магнитной мешалке) спирт выпаривали под вакуумом на кипящей водяной бане. Массовые соотношения ДВ. ПЭГ в ТД – 1:1 и 1:3. Изучаемый образец поместили в воду очищенную и растворили при +25 °C, перемешивая на магнитной мешалке при скорости 200 об/мин. Далее автор провёл отбор проб из растворов через временные интервалы 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 и 60 минут с дальнейшим восполнением данных растворов водой до начального объёма. Каждую пробу пропустили через фильтр с размером пор 0,45 мкм (фильтрующий материал – нейлон), разводили при необходимости и замеряли оптическую плотность на УФ-спектрофотометре при длине волны 320±2 нм. Автор структурировал полученные данные в график, на основе которого и были сделаны выводы.
Микрокристаллоскопический анализ проводили, используя микроскоп Levenhuk 50L NG и монокулярный микроскоп с цифровой камерой Levenhuk M200 BASE.

Результаты

1. Максимальная концентрация в растворе субстанции метронидазола устанавливается в первые 5 мин. от начала растворения, концентрация составляет ≈8,400 г/л. С течением времени концентрация изменяется мало и к концу опыта (60 мин) составляет ≈8,747 г/л.

2. Для ТД (1:3) через 30 мин после начала растворения концентрация метронидазола больше в 1,2 раза (на 20%). Таким образом, скорость растворения из ТД (1:3) на 20% выше, чем у чистого метронидазола.

3. Интереснее растворяется ТД (1:1). Здесь растворение происходит с эффектом пресыщения. Через 15 мин после начала растворения концентрация метронидазола (≈12,885 г/л) в 1,5 раза (на 50%) выше концентрации раствора с чистым ДВ. Такую высокую концентрацию и скорость растворения метронидазола можно объяснить тем, что в ТД (1:1) содержание ПЭГ меньше, чем в ТД (1:3). Масса ТД (1:1) растворяется гораздо быстрее, чем ТД (1:3), а, следовательно, и высвобождение молекул ДВ происходит быстрее – с пресыщением. Плавный спад концентрации метронидазола можно объяснить эффектом рекристаллизации. Повышение растворимости метронидазода из ТД (на 25%) на момент завершения опыта – 60 мин., предположительно связано с солюбилизирующим действием ПЭГ и эффектом коллоидной защиты.

4. Метронидазол при увеличении 4х представляет собой бесцветные, прозрачные, слегка желтоватые обломки кристаллов, преимущественно вытянутой формы с ровными гранями призматической формы. Препарат подвергался механическим воздействиям.

ТД по внешнему виду негомогенная. Состоит из прозрачной матрицы ПЭГ, которая идентифицируется по характерной складчатой поверхности, в которой в виде отдельной фазы наблюдаются кристаллы исходного метронидазола. Они вытянутые, прямоугольные и прозрачные. По размерам они уменьшились примерно в 3–5 раз.

Субстанция метронидазол                                                    ТД метронидазола

5. По результатам оптических исследований (пропускание в темноте тонкого луча света через боковую грань кюветы с изучаемым раствором) только в растворе ТД обнаружен конус Фарадея-Тиндаля (отмечен стрелкой на рисунке). Растворы субстанции метронидазола и ПЭГ рассеивания света не демонстрировали. Это свидетельствует о том, что при растворении ТД часть метронидазола переходит в истинный раствор (размер ≈ 10-9 м), а другая часть переходит в форму коллоидного раствора (размер ≈ 10-7-10-9м). При этом внешне фильтрованный раствор ТД выглядел совершенно прозрачным.

Выводы

1. Применение ТД повышает растворимость и скорость растворения ДВ в воде.

2. Массовое соотношение ДВ к ПЭГ имеет большое значение. Повышение содержания ПЭГ в ТД приводит к более плавному растворению метронидазола из матрицы полимера без эффекта пересыщения.

3. Установлен комплекс причин повышения растворимости из ТД – микронизация и частичная потеря кристалличности ДВ с образованием твёрдого раствора в матрице ПЭГ (ещё до растворения в воде – при получении ТД), переход ДВ из ТД в водную фазу в виде истинного и коллоидного растворов.

Перспективы использования результатов работы

Полученные данные могут быть использованы при разработке инновационных быстрорастворимых лекарственных форм метронидазола. Рекомендуется использовать ТД с массовым соотношением ДВ к ПЭГ, равным 1:1.

По результатам планируется подготовка научной статьи в журнал «Вестник Московского университета. СерияХимияВАКПереводнаяверсияРезультаты исследования будут включены в патент РФ.

Сотрудничество с вузом при создании работы

ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И. М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), кафедра аналитической, физической и коллоидной химии Института фармации им. А. П. Нелюбина

Мнение автора

«Конференция «Старт в медицину» – это хорошая возможность для школьников проявить себя в научно-практической деятельности. Это и правда старт в медицину, который очень важен для всех, кто хочет строить карьеру учёного в этой сфере деятельности»