UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE FARMACEUTICKÁ FAKULTA V HRADCI KRÁLOVÉ

Transkript

1 UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE FARMACEUTICKÁ FAKULTA V HRADCI KRÁLOVÉ Katedra farmaceutické technologie VĚTVENÉ OLIGOESTERY PLASTIFIKOVANÉ METHYLSALICYLÁTEM JAKO NOSIČE LÉČIV Rigorózní práce Hradec Králové Lucie Hlavsová 1

2 Prohlašuji, ţe tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracovala samostatně. Veškerá literatura a další zdroje, z nichţ jsem při zpracování čerpala, jsou uvedeny v seznamu pouţité literatury a v práci řádně citovány. Děkuji mojí konzultantce Pharm.Dr. Evě Šnejdrové, Ph.D. za odborné vedení a cenné rady při psaní této rigorózní práce. Lucie Hlavsová 2

3 Obsah: 1. ÚVOD SEZNAM ZKRATEK CÍL PRÁCE TEORETICKÁ ČÁST KYSELINA MLÉČNÁ Použití KYSELINA POLYMLÉČNÁ (PLA) METODY SYNTÉZY PLA Přímá katalytická polykondenzace za sníženého tlaku Azeotropní polykondenzace Polymerace v pevném skupenství (solid state polymerisation SSP) Polymerace za otevření kruhu (ring-opening polymerisation ROP) Aniontová polymerace za otevření kruhu Kationtová polymerace za otevření kruhu Koordinačně inserční polymerace Katalyzátory polymerizace za otevření kruhu BIODEGRADACE PLA VYUŢITÍ PLA Samovstřebatelné stehy Vlákna Ortopedické implantáty Matricové implantáty Tablety Tkáňové inženýrství POLYESTERY Polyestery z dikarboxylových kyselin POLYESTER-AMIDY POLYESTER-IMIDY POLYESTER-ANHYDRIDY POLYETHER-ESTERY POLYESTER-URETANY

4 4.12 LIBERACE LÉČIV Difúze Polymer ve stavu kaučukovitém (CASE I) Polymer ve stavu sklovitém (CASE II) Polymer ve stavu CASE III HERPETICKÉ VIRY Herpes simplex virus Herpes simplex encefalitida Herpes simplex corneae Varicella-zoster virus Varicella (plané neštovice) Herpes zoster (pásový opar) Zoster oticus Zoster ophtalmicus ANTIVIROTIKA Aciklovir Valaciklovir Famciklovir Penciklovir EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST POUŢITÉ PŘÍSTROJE POUŢITÉ SUROVINY PRACOVNÍ POSTUP Příprava liberačního média Příprava matric Disoluční test Kalibrační přímka Stanovení uvolněného acikloviru VÝSLEDKY TABULKY GRAFY DISKUZE

5 7.1 VLIV MOLÁRNÍ HMOTNOSTI NOSIČE NA LIBERACI LÉČIVA VLIV KONCENTRACE PLASTIFIKÁTORU ZÁVĚRY SOUHRN SUMMARY LITERATURA

6 1. Úvod Biodegradabilní polymery jsou v dnešní době stále více vyuţívány v mnoha oborech. Své uplatnění nacházejí v průmyslu (textilní, potravinářský, atd.), v medicíně i ve farmacii. Jsou důleţitou součástí lékových forem s řízeným uvolňováním. Tyto lékové formy mají ve srovnání s formami klasickými mnoho výhod, jako je např. sníţená frekvence dávkování léků, menší výskyt neţádoucích účinků, redukce výkyvů plazmatické koncentrace léčiva, atd. Díky těmto léčivým přípravkům je moţné dosáhnout efektivnější terapie a větší compliance pacienta. Volba polymeru můţe ovlivnit nejen rychlost a délku uvolňování léčiva, ale také jeho distribuci a biologickou dostupnost. Biodegradabilní polymery pouţívané ve farmacii a v medicíně musí být především netoxické a biokompatibilní. Dříve byly studovány spíše polymery přírodního původu. Dnes pozorujeme rozvoj v oblasti syntetických polymerů, jako jsou např. polyamidy, polyaminokyseliny, poly-alfa-kyanoakryláty, polyuretany, polyestery, atd. Jedním z hlavních důvodů je fakt, ţe u syntetických polymerů lze téměř libovolně měnit jejich vlastnosti. Lze tak vyrobit polymer vyhovující konkrétním poţadavkům. Mezi nejlépe prozkoumané patří skupina polyesterů, zejména kyseliny polymléčná, polyglykolová a jejich kopolymery. Předloţená rigorózní práce tematicky a metodologicky navazuje na řešení problematiky diplomové práce. 1) Byly pouţity stejné oligoesterové nosiče větvené mannitolem nebo dipentaeythritolem. Modelovou léčivou látkou byl opět zvolen aciklovir. Pro plastifikaci matric byl pouţit jiný plastifikátor, místo triethylcitrátu a ethylpyruvátu byl zvolen methylsalicylát. 6

7 2. Seznam zkratek ACV... aciklovir D...dipentaerythritol D,L-LA.kyselina mléčná sloţená z racemické směsi izomerů D,L-PLA... kyselina polymléčná sloţená z racemické směsi izomerů D-PLA... kyselina polymléčná sloţená z D izomerů DNA..deoxyribonukleová kyselina EP..ethylpyruvát HSV-1... herpes simplex virus typ 1 HSV-2... herpes simplex virus typ 2 L-PLA...kyselina polymléčné sloţená z L izomerů M... mannitol MS methylsalicylát M w... hmotnostní průměr molárních hmotností PLA...kyselina polymléčná T g..teplota skelného přechodu T m.teplota tání TEC..triethylcitrát VZV.varicella-zoster virus 7

8 3. Cíl práce Cílem rigorózní práce bylo zjistit průběh liberace acikloviru z plastifikovaných oligoesterových nosičů. Testované nosiče pracovně označené 3M, 5M, 8M, 3D, 5D a 8D jsou terpolymery kyseliny D,L-mléčné, kyseliny glykolové a mannitolu resp. dipentaerythritolu (LA/GA/M (D)). Nosiče byly plastifikovány 10%, 20% nebo 30% methylsalicylátu. Úkol rigorózní práce lze rozdělit do následujících dílčích kroků: 1. Připravit matrice o hmotnosti 150,0 mg sloţené z nosiče, plastifikátoru a acikloviru. 2. Provést modifikovaný disoluční test za statických podmínek při 37 C a pouţití fosfát citrátového pufru ph 6,0. 3. Porovnat liberaci acikloviru z nosičů větvených různou koncentrací mannitolu a dipentaerythritolu. 4. Porovnat liberaci acikloviru z nosičů plastifikovaných různou koncentrací methylsalicylátu. 8

9 4. Teoretická část 4.1 Kyselina mléčná Kyselina mléčná (LA) je organická látka ze skupiny karboxylových kyselin. Je to středně silná kyselina. Díky přítomnosti chirálního (asymetrického) uhlíku v molekule se vyskytuje ve 2 stereoizomerech tzv. enantiomerech. Obr. 1: Fischerovi vzorce kyseliny mléčné 2) Označení D,L (resp. +,-) označuje směr otáčení roviny polarizovaného světla, kdy D značí pravotočivý a L levotočivý stereoisomer. Oba enantiomery mají stejné fyzikální vlastnosti, liší se jen schopností stáčet rovinu polarizovaného světla. 2) Použití Kyselina mléčná je vyuţívána především v potravinářském a chemickém průmyslu. Pouţívá se např. jako aroma a inhibitor růstu bakterií v balených jídlech. V chemickém průmyslu slouţí jako výchozí látka pro výrobu polymerů kyseliny mléčné (PLA). V malém mnoţství se dále pouţívá pro úpravu ph roztoků nebo při výrobě detergentů. Estery kyseliny mléčné se pouţívají také jako emulgátory při tepelné úpravě masa. 9

10 4.2 Kyselina polymléčná (PLA) PLA se vyskytuje ve více stereoizomerních formách. Neboť se v její molekule vyskytuje chirální α uhlík, nalézáme jí ve třech izomerech: L, D a DL. L-PLA je tvořena z L(-)-laktidu, D-PLA z D(+)-laktidu a DL-PLA z D,L-laktidu, jenţ je racemickou směsí L(-) a D(+) isomeru. 3) Z chemického hlediska je polylaktid polyester. Obr. 2: Vzorec kyseliny polymléčné 4) Celá řada mechanických a fyzikálních vlastností PLA je různě závislá na molekulové hmotnosti a kompozici řetězce. Prakticky se vyuţívají především L-PLA, D,L-PLA a jejich kopolymery. L-PLA je semikrystalický polymer s teplotou tání (T m ) okolo 175 C a teplotou skelného přechodu (T g ) přibliţně 65 C, zatímco D,L-PLA má T g okolo 57 C. 3) Specifická hustota L-PLA se pohybuje v rozmezí 1,25 1,29 g.cm -3, u D,L-PLA je 1,27 g.cm -3. 5) L-PLA je krystalický polymer s krystalinitou přibliţně 35%. 6) Krystalinita L- PLA je příčinou lepších mechanických vlastností a delší ţivotnosti z důvodu uspořádání a větší kompaktnosti struktury PLA. Oproti tomu je D,L-PLA kompletně amorfní polymer. Stupeň krystalinity polymeru závisí na mnoha faktorech, jako jsou např. molekulová hmotnost, termální a výrobní historie, teplota a doba zahřívání při zpracování 7) a také je silně ovlivněn zastoupením D-izomeru v řetězci polymeru. S jeho rostoucím mnoţstvím se sniţuje krystalinita. Při obsahu D-isomeru větším jak cca 12,5% je polymer takřka zcela amorfní. Sníţení stupně krystalinity má za následek především sníţení T m a T g a naopak velice nepatrný růst hustoty. 4) Rozpustnost polymerů kyseliny mléčné je ve velké míře závislá na molekulové hmotnosti, stupni krystalinity a na přítomnosti dalších ko-monomerů v polymeru. Opticky čistá L-PLA je dobře rozpustná v chlorovaných a fluorovaných organických 10

11 rozpouštědlech, v dioxanu, dioxolanu a furanu. D,L-PLA je rozpustná nejen v dříve jmenovaných rozpouštědlech, ale také v mnoha dalších organických látkách, jako jsou např.: aceton, pyridin, tetrahydrofuran, xylen a ethylacetát. PLA je nerozpustná ve vodě, alkoholech jako je např.: metanol, etanol nebo propylenglykol a v nesubstituovaných uhlovodících, jako jsou např.: hexan, hepten, atd. 5) Mechanické vlastnosti PLA zásadně závisí na molekulové hmotnosti (M w ), nemolekulové struktuře a orientaci molekul. S rostoucí krystalinitou roste pevnost v tahu a Youngův modul, zatímco prodlouţení při přetrţení klesá. To samé platí pro rostoucí stupeň orientace molekul. 8) S růstem M w PLA roste pevnost v ohybu, ale pevnost v tahu zůstává na stejné hodnotě. V případě D,L-PLA s rostoucí M w se zvyšuje pevnost v tahu i pevnost v ohybu. 7) Tab. 1 : Charakteristika kyseliny polymléčné 5) Veličina L-PLA D,L-PLA Krystalinita - Xc [%] 35 amorfní Teplota tání T m [ C] 175 amorfní Teplota skelného přechodu T g [ C] Hustota [g.cm -3 ] 1,25 1,29 1,27 11

12 4.3 Metody syntézy PLA Pro přípravu PLA polymerizací kyseliny mléčné jsou potřeba monomery o vysoké čistotě, neboť nečistoty jako např. voda, přítomnost hydroxylů nebo karboxylů, mohou interferovat v průběhu reakce, a tak sniţovat kvalitu výsledného polymeru. 9) PLA můţeme získat 4 druhy syntézy: 10) 1) přímá katalytická polykondenzace za sníţeného tlaku 2) azeotropická polykondenzace 3) polymerace v pevném skupenství 4) polymerace za otevření kruhu Přímá katalytická polykondenzace za sníženého tlaku K polykondenzaci kyseliny mléčné dochází za sníţeného tlaku za přítomnosti katalyzátoru. Touto metodou získáváme PLA s nízkou M w dosahující pouze několika desítek tisíc. Důvodem je především vznik molekul vody při polykondenzační reakci, která se velmi těţko odstraňuje z vysoce viskózní reakční směsi. Další nevýhodou této syntézy je fakt, ţe není moţno během reakce kontrolovat stereoregularitu. Proto má také výsledný polymer horší mechanické vlastnosti. Tato metoda je tedy vyuţívána, pokud je ţádán polymer o nízké M w. Přímou polykondenzační metodou lze připravit i PLA o vyšší M w, a to za pouţití tzv. činidel pro řetězové spřaţování. Tato činidla spojují řetězce PLA o nízké M w do řetězců o vyšší M w. Děje se tak proto, ţe tyto molekuly atakují přednostně koncové hydroxylové nebo karboxylové skupiny řetězce PLA. Při pouţití bi/multifunkčních komonomerů mohou být modifikovány všechny koncové hydroxylové nebo karboxylové skupiny. PLA s koncovou hydroxylovou skupinou můţe být syntetizována polymerací kyseliny mléčné za přítomnosti malého mnoţství bi/multifunkčních hydroxysloučenin, jako jsou např.2-buten-1,4-diol, glycerol nebo 1,4-butandiol. Pokud však chceme PLA s koncovou karboxylovou skupinou, pouţijeme bi/multifunkční karboxylové kyseliny, jako jsou např. kyseliny maleinová, adipová, jantarová nebo itakonová kyselina. 11, 12, 13) 12

13 tání. 18) Teplota musí být dostatečně vysoká, aby ulehčila nárůst řetězce polymeru, ale Azeotropní polykondenzace Vyuţitím této metody můţeme získat PLA o vyšší M w. Pouţitím azeotropního rozpouštědla byl vyřešen problém s odstraněním vznikající vody z reakční směsi. Kyselina mléčná tady rovnou polykondenzuje v polymer o vyšší M w. Ajioka at al. 14, 15, 16) poprvé jednokrokově syntetizovali PLA o vysoké M w kondenzací kyseliny mléčném za pouţití vhodného azeotropního rozpouštědla. Jedná se o metodu, která vyuţívá vysoké aktivity katalyzátorů a nízké teploty varu organických rozpouštědel. Voda vznikající jako vedlejší produkt polymerizace je odstraňována azeotropicky, zatímco rozpouštědlo je následně vysušeno a recyklováno zpět do reakce. Tato polymerizační metoda dovolila zvolit reakční teplotu pod teplotou tání polymeru a tak efektivně předcházet depolymerizaci a racemizaci během polykondenzační reakce. Lze takto připravit vysoce čistou PLA o M w nad ) Polymerace v pevném skupenství (solid state polymerisation SSP) Při této reakci se semikrystalický pevný pre-polymer o relativně nízké M w zahřívá k teplotě těsně pod bodem tání. Současně se odvádí vedlejší produkty z povrchu materiálu, buď vypařením za sníţeného tlaku, nebo proudícím inertním plynem. Prepolymer má formu prášku, pelet nebo vláken. 17) Inertní plyn slouţí k odstraňování kondenzátů z reakce a zároveň brání oxidaci polymeru. Reakce probíhá v podstatě v amorfních částech pre-polymeru, kde se nacházejí všechny jeho reaktivní koncové skupiny. Reakce probíhá za teploty pod bodem skelného přechodu a pod teplotou nesmí být tak vysoká, aby docházelo k částečnému tání polymeru. To by mělo za následek vznik dalších reakcí, jako jsou např.: cyklizace, tepelná, hydrolytická a oxidativní degradace polymeru. Čas potřebný k dosaţení určité M w polymeru je při polymeraci v pevném stavu obecně delší neţ v roztoku nebo tavenině. Touto metodou je moţno připravit PLA o vysoké M w. 19) 13

14 Obr. 3: Polymerace v pevném skupenství 10) Polymerace za otevření kruhu (ring-opening polymerisation ROP) Polymerizace za otevření kruhu byla poprvé provedena roku 1932 Carotherem. 20) Tato metoda je pouţívána především pro přípravu PLA o velké molekulové hmotnosti s vysokým stupněm stereoregularity. Vyuţívá se tak moţnosti přesné kontroly chemického sloţení výsledného polymeru, které lze také různě měnit a tím získávat polymery s různými vlastnostmi. Tento fakt umoţňuje rozšiřovat pole aplikací PLA. Obr. 4: Syntéza PLA polymerací za otevření kruhu 10) PLA je syntetizována z laktidů, coţ jsou cyklické dimery kyseliny mléčné. Získávají se tepelným štěpením nízkomolekulární PLA oligomerů za vysoké teploty, nízkého tlaku a přítomnosti katalyzátorů. Laktid ( 3,6-dimethyl-1,4-dioxan-2,5-dion) je šestičlenný cyklický dimer. Na rozdíl od kyseliny mléčné, která se nachází ve dvou stereoizomerních formách, je laktid ve třech stereoizomerních formách. 14

15 Obr. 5: Stereoizomerní formy laktidu 10) Surový laktid obsahuje nečistoty, jako je např.: voda, kyselina mléčná a oligomery. Tyto nečistoty mohou interagovat během polymerační reakce, coţ vede ke vzniku polymeru o nízké molekulové hmotnosti s vyšším stupněm racemizace. Proto je krystalický laktid před polymerací vysoce čištěn. Polymerace laktidů za otevření kruhu můţe být klasifikována podle druhu mechanizmu a iniciátoru na 3 typy: 1) aniontová polymerace za otevření kruhu 2) kationtová polymerace za otevření kruhu 3) koordinačně- inserční polymerace Aniontová polymerace za otevření kruhu Iniciátorem této reakce je nukleofilní anion. Tento anion napadá karbonylovou skupinu laktidu a dochází k rozštěpení vazby mezi uhlíkem karbonylu a jeho sousedním kyslíkem v kruhu laktidu. Anion se poté naváţe na tento kyslík a pokračuje v napadání karbonylových skupin dalších laktidů a tak dochází k prodluţování řetězce. Příkladem nukleofilního katalyzátoru jsou např.: alkoxidy alkalických kovů. Tyto nukleofilní katalyzátory jsou však často velice reaktivní. Vysoká reaktivita a vyšší teplota při reakci mají za následek racemizaci a vznik mnoha dalších reakcí, které blokují rozšiřování řetězce. Z těchto důvodů je velmi obtíţné získat polymer o vysoké M w touto metodou. 21,22) 15

16 Obr. 6: Aniontová polymerace za otevření kruhu 10) Kationtová polymerace za otevření kruhu Jako katalyzátory mohou být pro tento druh reakce pouţity sloučeniny poskytující karbeniový ion a málo silné kyseliny jako např.: kyselina trifluoroctová 23) Prvním krokem reakce je buď alkylace nebo protonace atomu kyslíku v karbonylové skupině laktidu. Vzniklá vazba OCH 3 dostává pozitivní náboj. Dále následuje nukleofilní atak druhého monomeru, který tuto vazbu rozštěpí a vytvoří elektrofilní karbeniový ion. Nukleofilní ataky monomerů se takto dále opakují a dochází k prodluţování řetězce polymeru. Reakce běţí, dokud není ukončena monofunkčním nukleofilem, jako je např. voda. Racemizaci můţeme zabránit sníţením teploty pod 50 C. Při této teplotě však reakce probíhá velmi pomalu a neposkytuje polymer o vysoké molekulové hmotnosti. 24) Obr. 7: Kationtová polymerace za otevření kruhu 10) 16

17 Koordinačně inserční polymerace Jedná se o nejvíce prostudovanou metodu přípravy PLA o velké molekulové hmotnosti. Jako katalyzátory se zde pouţívají alkoxidy kovů (např. Mg, Sn, Ti, Zr, Zn), které mají kovalentní vazbu mezi atomem kovu a atomem kyslíku a chovají se jako Lewisovské kyseliny. Tyto katalyzátory mají volné p a d orbitaly. 25) První reakcí je vznik koordinační vazby mezi atomem kyslíku (není součástí kruhu) laktidu a atomem kovu katalyzátoru. Tato koordinační vazba zvyšuje nukleofilitu alkoxidové části katalyzátoru a elektrofylitu laktidové karbonylové skupiny. Dále následuje rozštěpení vazby mezi uhlíkem karbonylové skupiny a endocyklickým kyslíkem laktidu. Vzniklý laktidový řetězec je vloţen do vazby mezi atom kovu a jeho sousední kyslík katalyzátoru. Polymerace pokračuje dalším otvíráním molekul laktidu a jejich vkládáním do vazby mezi atom kovu a kyslíku, dokud nedojde k ukončení řetězce např. alkoxidovým koncem katalyzátoru. Pomocí této metody lze získat PLA o vysoké 22, 25) molekulové hmotnosti. Obr. 8: Mechanizmus koordinačně inserční polymerace 10) Katalyzátory polymerizace za otevření kruhu V minulosti bylo studováno mnoho katalyzátorů, které by mohli být pouţity při ring-opening polymeraci. Zkoumal se hlavně jejich efekt na výsledné vlastnosti PLA, jako jsou M w, distribuce molekulové hmotnosti a racemizace. 10) 17

18 tkáň. 30) Při druhé fázi sledujeme depolymerizaci a chemické štěpení hlavních řetězců Mezi nejčastěji pouţívané katalyzátory patří práškové kovy, Lewisovské kyseliny, Lewisovské báze, organokovové sloučeniny a různé soli kovů. Velmi efektivní v syntéze PLA o vysoké M w jsou především organokovové sloučeniny a alkoxidy. Další studované katalyzátory pro polymeraci laktidu s vyuţitím i pro biomedicínské aplikace jsou např.: Fe 26), Sn(CH 3 COO) 27) 2, SnCl 4, Sn(C 6 H 6 ). PLA o velmi vysoké optické čistotě a velké M w je moţné syntetizovat za pouţití katalyzátorů jako je dibutylmagnesium chlorid nebo butylmagnezium chlorid. 28) 4.4 Biodegradace PLA Biodegradace polymeru PLA probíhá v pěti fázích, které neprobíhají odděleně, ale překrývají se. 29) První fáze začíná ihned po vloţení matrice do těla. Dochází k hydrataci systému, matrice absorbuje tekutinu z okolního prostředí. Tento proces můţe trvat v závislosti na hmotnosti matrice a velikosti jejího povrchu dny aţ měsíce. Hydratace polymerů kyseliny mléčné, a téţ jejich kopolymerů s kyselinou glykolovou, je moţná jen díky jejich hydrofilním vlastnostem. Hydratace amorfní části probíhá rychleji neţ části krystalické. Implantáty tvořené PLA nebo jejími kopolymery s kyselinou glykolovou jsou hydratovány aţ do vnitřních prostor. To vede k rozpadu matrice na fragmenty, zatímco u hydrofóbnějších polymerních matric probíhá jen povrchová eroze. V měkkých tkáních vyvolávají implantáty buněčnou odpověď, která je typická pro akutní trauma. Dále se tvoří v okolí implantátu fibrózní tkáň. Mezi kostí a implantátem vzniká granulační polymerů. Následkem je redukce jak průměrné molekulové hmotnosti, tak počtu kovalentních vazeb. Dochází i ke změně fyzikálních vlastností polymeru. Při třetí fázi se polymer rozpadá na fragmenty s nízkou molekulovou hmotností. Jsou tvořeny oligomerní aţ monomerní produkty. 29) V měkké tkáni vzniká mírná zánětlivá odpověď a okolo implantátu se tvoří kolagenní útvary. V kostní tkáni se implantát postupně zmenšuje a v okolí narůstá vrstva kostní hmoty. Také dochází k redukci granulační tkáně a infiltraci místa fagocyty. 30) Fyzikální vlastnosti jsou jiţ výrazně jiné. Během čtvrté fáze jsou tyto fragmenty dále štěpeny. Dostatečně malé fragmenty jsou poté pohlcovány fagocyty, nebo jsou rozloţeny na monomerní anionty, které jsou 18

19 rozpustné v intracelulární tekutině. Kyselina mléčná v implantátu můţe zvyšovat tkáňovou regeneraci tím, ţe ovlivňuje laktát dehydrogenázu v makrofázích. Celková absorpce implantátu z PLA můţe trvat od 20 měsíců aţ do 5 let. 31) Konečnou fází degradace je eliminace monomerů. Kyselina L-mléčná je metabolizována na oxid uhličitý a pyruvát. Pyruvát vstupuje do Krebsova cyklu cestou acetylace koenzymu A. Hlavní část konečných degradačních metabolitů (voda, CO 2 ) vzniká v dýchacím řetězci. Menší část je odbourávána močovinovém cyklu na močovinu. Podobně je tomu i u kyseliny D,L- mléčné. 32) Proces hydrolýzy můţe být ovlivněn kyselinami nebo zásadami, teplotou a stupněm vlhkosti. V kyselém prostředí probíhá hydrolýza především mechanizmem objemové eroze. Rychlost eroze je v kyselém a neutrálním prostředí přibliţně stejná, avšak vyšší neţ v alkalickém. 33) 4.5 Využití PLA PLA je biodegradabilní polymer, který nachází vyuţití v mnoha aplikacích. Produkty z PLA se vyuţívají nejen v medicíně a farmacii, ale téţ v průmyslu, potravinářství a v zemědělství. Je tomu tak zejména díky dobrým mechanickým vlastnostem a jeho biodegradabilitě za vzniku netoxických produktů Samovstřebatelné stehy Prvním velkým komerčním úspěchem byl v 70 letech 20 století objev látky zvané VICRYL. Jedná se o kopolymer kyseliny glykolové a L-laktidu (9:1). Vyuţívá se v chirurgii jako samovstřebatelná nit pouţívaná k šití cév, tkání, střev a dalších orgánů. Existuje i VICRYL PLUS, který je na povrchu potaţen antibakteriální látkou. Ta brání případnému vzniku infekce v ráně. V této oblasti nalezly uplatnění kromě VICRYL i další materiály na bázi polylaktidů, polyglykolidů, polykaprolaktonů a jejich kopolymerů. Komerčně dostupné jsou např.: DEXON, BIOSORB 8, 34) atd Vlákna Výhodou pouţití implantátů ve tvaru vláken je fakt, ţe pro jejich aplikaci do podkoţí se pouţívají menší jehly, neţ je tomu u jiných druhů implantátů. Dutá vlákna se 19

20 pouţívají jako biodegradabilní nosiče léčiv. Princip spočívá v tom, ţe dutina vlákna se naplní roztokem léčiva a vlákno se na obou koncích zacelí. Rychlost, jakou se léčivo uvolňuje, je přímo závislá na vlastnostech stěny polymerního vlákna. Vlákna mohou mít velmi různou porozitu. Toho je dosaţeno pouţitím metody inverze fází spojenou s procesem zvláknění. Uvolňování léčiva kinetikou nultého řádu bylo sledováno u levonorgestrelu, který se uvolňoval relativně konstantní rychlostí po dobu 200 dnů. Nevýhodou pouţití dutých vláken je však fakt, ţe pokud dojde k protrţení stěny vlákna, nastane náhlé uvolnění velkého mnoţství léčiva. 35) Ortopedické implantáty Před zavedením biodegradabilních implantátů se k fixaci kostí a jejich úlomků běţně pouţívaly pouze kovové implantáty. Fixace těmito kovovými implantáty je poměrně úspěšná. Problém však můţe nastat po vyjmutí implantátu. Na kost jsou totiţ náhle kladeny mnohem větší nároky a můţe snadno dojít k opětovnému zlomení. Toto je způsobeno tím, ţe po dobu, kdy je kovový implantát vloţen v těle, nese část zátěţe za kost. Po jeho vyjmutí není kost připravena na zvýšené nároky, je oslabená a po určitou dobu, neţ zesílí, je zde nebezpečí opětovné fraktury. Pokud při fixaci pouţijeme biodegradabilní implantát na bázi PLA, k této situaci vůbec nedojde. Tyto implantáty přispívají k dynamickému procesu hojení. Postupně dochází k jejich rozkladu a absorpci tkáněmi. Zátěţ je na kost přenášena pozvolna, coţ sniţuje riziko opětovného zlomení. Po několika měsících je implantát zcela degradován a resorbován. Není tedy třeba další operace, která je v případě pouţití kovových zařízení nezbytná. 36, 37) Implantáty mohou mít tvar tyčinek 38), štítků 39), ortopedických šroubů 40). Komerční názvy některých implantátů jsou: BioScrew, Phusilene, Sysord a Biofix. 20

21 4.5.4 Matricové implantáty Pro tvorbu matricových implantátů je přednostně pouţívána amorfní D,L-PLA. Do těchto nosičů je moţno inkorporovat různá léčiva, například antibiotika jako jsou sulfadiazin, adramycin, atd. Rychlost uvolňování léčiva v závislosti na molekulární hmotnosti polymeru byla demonstrována na uvolňování sulfadiazinu z PLA. Pokud molekulová hmotnost polymeru dosáhla g/mol, došlo ke sníţení rychlosti uvolňování léčiva. 41) D,L-PLA můţeme také vyuţít pro přípravu implantátů s modifikovaným uvolňováním. Byly vyvinuty polymerní matrice, ze kterých bylo moţno, díky principu povrchové eroze, uvolňovat jedno léčivo ve dvou fázích nebo i dvě různá léčiva jedno po druhém. První i druhá fáze uvolňování léčiva trvala 1-2 týdny. Metrice je tvořena z několika vrstev povrchově erodujícího polymeru. Pokud je třeba zpomalit uvolňování léčiva z matrice, je nezbytné inkorporovat do implantátu objemově erodující polymer. Takto můţeme docílit poţadovaného uvolňování. 42) Matrice mohou mít i podobu polymerního filmu. Příkladem můţe být polymerní film vyrobený z D,L-PLA a L-PLA o odlišných molekulových hmotnostech. Do tohoto filmu bylo inkorporováno léčivo methotrexát. Výsledkem studie tohoto systému bylo zjištění, ţe stupeň uvolňování léčiva je závislý na molekulové hmotnosti a na celkovém obsahu léčiva v implantátu. 43) Tablety Ve farmakoterapii jsou dnes jiţ také pouţívány tablety s časově závislým uvolňováním sloţené z PLA s molekulovou hmotností 2000 g/mol a niţší, obsahující celou řadu léčiv (chinin sulfát, propanolol hydrochlorid, kalcitonin, agonista luteizačního hormonu, atd.) Pokud byly tablety připraveny z PLA o vyšší molekulové hmotnosti, byl při liberaci pozorován určitý lag-time. Ve studii byly proto připraveny tablety z 100% nízkomolekulární PLA aţ po 100% výšemolekulární PLA. Byla u nich následně sledována doba rozkladu a zpoţdění uvolňování léčiva. Výsledkem bylo zjištění, ţe doba rozkladu se prodluţovala z 5 týdnů aţ na 20 týdnů a iniciační lag-time rostl od nuly aţ k 10 týdnům. 44) 21

22 4.5.6 Tkáňové inženýrství 45) O vyuţití biodegradabilní PLA se pokoušejí i vědci z oblasti tkáňového inţenýrství. Pouţívají především nízkomolekulární PLA 46) nebo její kopolymer s PGA. Zkoumá se moţnost vyuţití PLGA jako média pro růst kmenových buněk. Další výzkumy se zaměřují na moţnost obnovení poškozené nervové dráhy míchy. PLGA je zde pouţita pro tvorbu jakéhosi lešení, které slouţí pro zachycení nervových kmenových buněk. Na univerzitě v Tallahossee vědci vytvořili z PLGA pěnu, ve které jednotlivé bubliny tvoří matrix, na které se vědci snaţí vypěstovat funkční plicní tkáň. Další výzkumné týmy se snaţí o kultivaci lidských osteoblastů za pouţití fólií tvořených kopolymerem nízkomolekulárních polymerů kyseliny mléčné a glykolové. Ve všech těchto případech slouţí polymerní bio-materiály jako podpůrná struktura pro buňky. Po dobu vývoje tkáně zastupují roli mezibuněčné hmoty. Vývojem nových bio-materiálů se zabývají i čeští vědci z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR. Studují moţnosti přípravy materiálů pro náhrady a regeneraci tkáně na bázi biologicky odbouratelných polymerů kyseliny mléčné. Soustředí se zejména na technologii přípravy biologicky aktivních povrchů polymeru, které podporují přichycení a kontrolovaný růst buněk. 22

23 4.6 Polyestery Skupina polyesterů zahrnuje všechny polymery, které mají ve svém hlavním řetězci esterové vazby. Tato skupina sloučenin je velmi významná a vyznačuje se velkou rozmanitostí. Polyestery byly historicky první skupinou syntetických polymerů vyrobených polykondenzací. Poprvé byly zkoumány v 30 letech 20 století během průkopnických studií pana Carotherse. Práce Carotherse zahrnují systematickou studii reakcí mezi alifatickými dioly a dikarboxylovými kyselinami různé délky. Záměrem 47, 48, 49) bylo získat polyesterové vlákno, které by se stalo syntetickou náhradou hedvábí. Nejen polyestery, ale také jejich kopolymery s amidy, anhydridy, imidy, ethery, uretany a dalšími funkčními skupinami, umoţňují výrobu velkého mnoţství kombinací a zisk sloučenin s různými vlastnostmi. 50) Polyestery z dikarboxylových kyselin Tento druh polyesterů je běţně připravován postupnou kondenzační reakcí difunkčních monomerů, jako jsou dioly a dikarboxylové kyseliny. 51) Struktura a vlastnosti vzniklého polymeru závisí na druhu zvolených monomerů. 52) Je problém připravit polyester o vysoké molekulové hmotnosti. Další nevýhodou je téţ nedostatečná pravidelnost struktury, která má spolu s nízkou Mw za následek nízký stupeň krystalinity a nedostatečné mechanické vlastnosti. Předpokládalo se, ţe prodlouţením řetězce polymeru a tím pádem zvýšením Mw by se všechny tyto nedostatky mohly odstranit. Z tohoto důvodu bylo vypracováno několik postupů jak prodlouţit řetězec. Jedna z metod vyuţívá jako činidlo adipoylchlorid. Ten se jednoduše přidá do reakční směsi předsyntetizovaného polyesteru a katalyzátoru a reakce se nechá několik hodin probíhat. 53) Další metoda vyuţívá α,ω-dichlorderiváty odvozené od fosgenu a diolů jako činidlo prodluţující řetězec. 54) diepoxidů 55) a diisokyanátů 56). Řetězce polyesterů lze také prodlouţit pomocí Alifatické homo- a kopolyestery připravené polykondenzací jednoduchých diolů (etylenglykol, 1,4-butandiol) a dikarboxylových kyselin (kyselina šťavelová, adipová, 51, 52, 57) atd.) jsou biodegradabilní. Polyestery polybutylensukcinát a polybutylensukcinát-kobutylenadipát jsou komerčně dostupné pod obchodním názvem Bionolle. 58) K dosaţení řetězce o vysoké 23

24 M w je nutné přidání diisokyanátových jednotek do polykondenzační reakce. Tyto jednotky spojují jednotlivé oligomery. Bionolle je typický semikrystalický terpolymer s dobrou pevností a ohebností. Moţností, jak zlepšit mechanické vlastnosti polyesterů, je začlenění aromatických členů do hlavního řetězce nebo do bočních řetězců polymeru. Tento krok vede nejen k zvýšení rigidity molekuly, ale také k zvýšení hydrofobicity, coţ má za následek sníţení biodegradability. 59) Jednoduchý způsob začlenění aromatické skupiny do řetězce je kopolymerace alifatických aromatických dikarboxylových kyselin s dioly. Příkladem mohou být náhodné nebo blokové kopolymery tvořené kyselinou tereftalovou, sebakovou, adipovou a 1,3- propandiolem. 60) Další cestou jak začlenit aromatickou skupinu do řetězce je kopolymerace alifatických dikarboxylových kyselin a diolů se styren glykolem. 61) Nejlepší způsob jak zlepšit mechanické vlastnosti a minimalizovat nechtěnou hydrolytickou nestabilitu polyesteru je zavedení aromatické skupiny přímo do hlavního řetězce. V tomto ohledu má velký význam kyselina tereftalová, která je důleţitým stavebním blokem pro komerční termoplastické polyestery jako jsou polyethylentereftalát (PET) a polybutylentereftalát (PBT). 62) 4.7 Polyester-amidy Polyamidy jsou polymery, které mají ve své hlavním řetězci amidové vazby. Vznikají kondenzací diaminů s dikarboxylovými kyselinami nebo s chloridy dikarboxylových kyselin. Pokud při reakci pouţijeme místo dikarboxylových monomerů předsyntetizované polyestery s koncovou karboxylovou skupinou, získáme polyester-amidy. Tyto sloučeniny mají díky pevným vodíkovým vazbám mezi amidovými skupinami jednotlivých řetězců lepší mechanické vlastnosti a tepelnou odolnost ve srovnání s odpovídajícími polyestery. Na druhé straně jsou polyester-amidy méně flexibilní, rozpustné a hydrolyticky odbouratelné. Kombinací polyamidů a polyesterů můţeme připravit sloučeniny s poţadovanými vlastnostmi, jako jsou dostatečná pevnost a vhodná rychlost odbourávání. Bylo navrţeno mnoho způsobů syntézy polyester-amidů. Mezi prvními byla reakce mezi řetězci polyamidů a polyesterů za vysoké teploty. 63) Později byla 24

25 patentována příprava polyester-amidů probíhající formou kopolymerace dikarboxylových kyselin s dioly a diaminy. 64) Dalším elegantním způsobem přípravy je společná reakce cyklických anhydridů dikarboxylových kyselin, bisoxazolinů a diolů. α,ω-dikarboxylové monomery se tvoří in situ z cyklických anhydridů reakcí s dioly. 65) Stupeň polymerace této reakce je velmi citlivý na změny stechiometrie. Z tohoto důvodu byla vypracována nová metoda za pouţití 1,3-oxazolinů. 66) Polyester-amidy jsou od druhé poloviny 90 let komerčně vyráběné pod názvem BAK, např. BAK 1095, který je sloţený z kaprolaktamu, adipové kyseliny a 1,4-butandiolu. Našly vyuţití v mnoha oborech, především tam, kde jsou preferovány jednorázové materiály. 67) Na počátku 90 let se zájem vědců zaměřil na syntézu stereoizomerních polyamidů a jejich vyuţití jako biodegradabilních materiálů. Jednou ze zajímavých molekul je kyselina (2R,3R)-L-vinná, která má ve své molekule 2 chirální atomy uhlíku. 68) Z di-o-methyl-l-vinné kyseliny a kyseliny šťavelové byly připraveny dvě různé skupiny polyester-amidů. První skupina byla syntetizována polykondenzací esterových trimerů z 1,6-hexandiaminů a anhydridu kyseliny šťavelové s kyselinou vinnou a trimethylsalicylátem-1,6-hexandiaminem v prostředí chloroformu. Výsledkem této reakce je vznik kopolymerů s různým obsahem esterových skupin. 69) Tyto sloučeniny jsou hydrofilní a biodegradabilní. Pevnost, teplota tání T m a teplota skelného přechodu T g těchto látek s růstem počtu esterových skupin klesá a zároveň vzrůstá schopnost hydrolytické degradace. Druhá skupina byla připravena z kyseliny šťavelové, kyseliny L-vinné a N- amino-1-alkoholů s různou délkou alifatického řetězce. Vznikly isotaktické kopolymery s výrazným podílem esterových a amidových skupin. 70) Kopolymery tohoto druhu jsou více hydrofilní, avšak ve vodě nerozpustné. Čím delší byl alkylový řetězec aminoalkoholů pouţitých k syntéze, tím niţší byla T m a T g výsledného kopolymeru. Další metodou přípravy stereoizomerních polyester-amidů je polykondenzace dikarboxylových kyselin s opticky aktivními aminoalkoholů, jako je např.: 2-aminoethanol a leucinol. Takto vzniklé polymery jsou hydrolyticky degradabilní. 71) 4.8 Polyester-imidy Mnoho let byly důkladně studovány různé typy polyimidů, zejména díky jejich termostabilitě a dobrým elektrickým vlastnostem. Nevýhodou těchto látek je však jejich 25

26 špatná rozpustnost ve většině organických rozpouštědel a vysoká tepelná odolnost. Tento problém se vědci pokusili obejít vytvořením kopolymerů z polyesterů a polyamidů. 50) Krecheldorf a jeho spolupracovníci připravili mnoţství polyester-imidů, jeţ se nacházejí ve formě tekutých krystalů. Jako první byly syntetizovány polyester-imidy přímou polykondenzací N-(4 -acetoxyfenyl)-4-acetoxyftalimidu s α,ω-dikarboxylovými kyselinami. Získané polymery se nad teplotou tání nacházely ve formě nematických 72, 73) tekutých krystalů a v pevném stavu tvořily vrstvené krystaly. K výrobě polyester-imidů se také často pouţívá andyhrid kyseliny trimellitové. Například reakcí andyhridu kyseliny trimellitové s 4,4 -diaminodifenyletherem, 6- aminokapronovou kyselinou, p-aminobenzoovou kyselinou a bisfenolem A vznikají polyester-imidy s docela vysokou tepelnou stabilitou a dobrou rozpustností. 74) Většina prací se týká studia polyester-imidů ve formě tekutých krystalů. Studie těchto polymerů pro biomedicínské vyuţití nejsou časté. Důvodem jsou jejich nevyhovující termodynamické vlastnosti a také fakt, ţe nepodléhají biodegradaci. 50) 4.9 Polyester-anhydridy Jedná se o polymery, v jejichţ hlavním řetězci se střídají esterové a anhydridové segmenty. Syntéza polyester-anhydridů probíhá metodou polykondenzace ve třech krocích. V prvním kroku dochází k reakci dikarboxylových kyselin a diolů za vzniku oligo- nebo polyesterových makromerů nesoucích koncovou karboxylovou skupinu. V druhém kroku je koncová karboxylová skupina převedena pomocí acetanhydridu na anhydridovou skupinu. Poslední krok je polykondenzace tavením ester-anhydridových prepolymerů za vzniku polyester-anhydridových produktů. Ester-anhydridové prepolymery můţeme nechat reagovat s prepolymery vyrobenými z jiných výchozích látek, a tak získáme polyester-anhydrid s různými segmenty. Esterové i anhydridové vazby jsou hydrolyticky štěpitelné. Díky tomu je moţné vyuţití polyester-anhydridů pro přípravu biodegradabilních biomedicínských materiálů. Různými kombinacemi získáme polyester-anhydrid různých struktur s variabilní dobou degradace. Mnoho druhů polyester-anhydridů bylo připraveno a zkoumáno jako potencionální nosiče léčiv. 75) Jeden takový byl připraven z kyseliny adipové a p- hydroxybenzoové. 76) 26

27 Pro přípravu biodegradabilních polymerů lze pouţít i tělu vlastní mastné kyseliny. Pouţita byla např. kyselina ricinoolejová. Tato monofunkční mastná kyselina byla nejprve esterifikována pomocí anhydridu kyseliny šťavelové nebo maleinové. Výsledkem je vznik dikarboxylových nelineárních monomerů, které jsou pak pomocí acetanhydridu konvertovány na dianhydridy. Ty jsou následně polymerovány s prepolymerem připraveným z kyseliny sebakové. Vzniklý polyester-anhydrid rychle podléhá degradaci. Inkorporované léčivo je uvolňováno během jednoho týdne. 77) Dále byly navrţeny matrice polyester-anhydridového typu s cykloalkanovými segmenty v hlavním řetězci. Pouţita byla například 1,4-cyklohexandikarboxylová kyselina. 78) 27

28 4.10 Polyether-estery Polyether-estery jsou termoplastické elastomery tvořené střídajícími se esterovými a etherovými segmenty. Zavedením etherových segmentů do řetězce polyesterů vede ke změně jejich mechanických vlastností a rychlosti jejich degradace. Mezi prvními sloučeninami tohoto typu byl i kopolymer polyethylenglykolu a polyethylentereftalátu. Výsledný polymer se vyznačuje niţší krystalinitou a vyšší hydrofobicitou neţ je tomu u aromatických polyesterů. 79) Degradace tohoto polymeru trvá několik měsíců. Díky jeho biodegradabilitě je moţné jej vyuţít v biomedicínských 80, 81) aplikacích. Dále byly připraveny kopolymery tvořené polybutyltereftalátem (tvrdé aromatické segmenty) a polyethylenglykolem (měkké etherové segmenty) s dobrou biokompatibilitou. 82, 83, 84) Tyto polymery našly uplatnění v několika biomedicínských aplikacích, jako jsou kostní endoprotézy 85), umělá kůţe 84) a terapeutické systémy s řízeným uvolňováním. 86) Kopolymer byl také pouţit pro přípravu mikrosfér a filmů, u nichţ se předpokládalo, ţe budou vyuţity jako nosiče léčiv. Jako modelová látka byl pouţit lysozom, který se z mikrosfér i filmu uvolňoval kinetikou 0. řádu. 87) Další studie se zaměřily na vyuţití aminokyselin, jako je např. lysin nebo kyselina asparagová. Reakcí oligomeru kyseliny asparagové s polyethylenglykolem vzniká polyether-esterový blokový kopolymer. Navázáním adriamycinu na polymer vzniklo cytostatické proléčivo. 88) Existují i další metody přípravy kopolymerů kyseliny L-asparagové s polyethylenglykolem. Kyselina asparagová byla nejprve převedena na anhydrid a poté následovala kopolymerace s polyethylenglykolem. Zablokované aminoskupiny jsou následně opět uvolněny a jsou tedy volné k případnému navázání léčiva. Doba hydrolýzy in vitro v neutrálním prostředí je přibliţně jeden měsíc. 89) 28

29 4.11 Polyester-uretany Polyester-uretany jsou kopolymery, v jejichţ řetězci se střídají polyesterové a polyuretanové segmenty. K přípravě těchto kopolymerů se pouţívají polyestery, záměrně syntetizované tak, aby na koncích jejich řetězce byly napojeny hydroxylové skupiny. Jedná se tedy o makrodioly. Syntéza polyester-uretanů probíhá ve dvou krocích. Nejprve dochází k polykondenzaci oligo- nebo polyesterů a polyuretanů. V druhém kroku je řetězec prodluţován přidáním diisokyanátových monomerů a diaminů. Výsledný polymer se skládá z měkkých polyester-uretanových segmentů a z tvrdých polyuretan-amidových segmentů. Tyto sloučeniny vykazují typickou dvojfázovou morfologii. Semikrystalická tuhá fáze je rozptýlena v měkké transparentní fázi. Typický polyesterový makrodiol pouţívaný k syntéze polyester-uretanů je polyethylenadipát. Toulendiisokyanát a methylen-4,4 -difenylisokyanát představují typické spojovací diisokyanátové monomery. Výsledné vlastnosti polyester-uretanů mohou být snadno ovlivňovány v závislosti na zvolené struktuře a délce jednotlivých segmentů polymeru. Mohou tedy mít různý vzhled od měkké aţ po tvrdou pěnu, můţe to být elastomer, lepidlo, termoplast nebo modelovací hmota. Příkladem komerčně dostupných polyester-uretanů skládajících se z měkkých a tvrdých fragmentů jsou polymery ESTANE. 90) Například polymer ESTANE 5703 se skládá z alifatických esterových bloků polybutylenadipátu (odvozené od kyseliny adipové a 1,4-butandiolu) následně kopolymerovaných s methylen-4,4 -difenylisokyanátem. 91) Polyester-uretany podléhají nejen hydrolytické a enzymatické, ale také oxidativní, tepelné a mechanické degradaci. Tento fakt můţe být do jisté míry nevýhodou těchto materiálů. Bylo zpracováno mnoho studií, které se zabývaly stabilitou a degradací u různých druhů polyester-uretanů. Například bylo zjištěno, ţe pokud začleníme do struktury boční alkylové řetězce, zvýšíme tak hydrolytickou a teplotní stabilitu. Tyto boční řetězce jsou v tomto případě inkorporovány do polymeru pouţitím větvených oligoesterů (např. poly-2,4-diethylpentamethylenadipátglykol), které následně polykondenzují s methylen-4,4 -difenylisokyanátem. 92) Polyester-uretany podléhají UV indukované oxidaci. Můţe docházet ke změně barvy a nevratnému rozkladu polymeru. Předpokládalo se, ţe hlavní roli v tomto případě hrají esterové vazby v polymeru. Bylo však zjištěno, ţe důvodem je přítomnost 29

30 methylenových skupin v α- poloze vedle N-H skupiny. Tyto skupiny podléhají oxidaci jako první, coţ následně vede k rozštěpení řetězce a tedy i k degradaci polymeru. 93) Biodegradabilní polymery jsou také někdy nazývány jako tzv.,,zelené polymery. Pokud by ve větší míře nahradily stávající běţně pouţívané polymery, vyřešil by se tak narůstající problém s polymerními odpady. Takovýto,,zelený polymer typu polyester-uretanu byl například připraven polykondenzací 1,3- propandiolu s kyselinou sebakovou. 94) Polyester-uretany jsou degradovány několika mechanizmy, z nichţ nejdůleţitější je hydrolytické štěpení. Hydrolýze mnohem snáze podléhají esterové vazby. 95) Předpokládá se proto, ţe nejprve dochází k hydrolýze esterových vazeb a následně pak k odbourání zbylých fragmentů mikroorganismy. Rychlost degradace je ovlivněna délkou a strukturou jednotlivých esterových segmentů v polymeru. Stupeň hydrolýzy také závisí na flexibilitě esterových segmentů, vzdálenosti mezi jednotlivými esterovými skupinami v řetězci a také na tom, v jaké míře dochází k difůzi vody do polymerní matrix. 96) Bakteriální degradace je zprostředkována aktivními enzymy, které bakterie vylučují do polymeru. 97) In vivo můţe degradace probíhat pouze hydrolýzou nebo oxidací. K oxidaci in vivo dochází především působením makrofágů. 98) 30

31 4.12 Liberace léčiv Ve farmaceutické technologii vyuţíváme lékové formy s neřízeným (normálním) uvolňováním (liberace léčiva není upravena sloţením ani výrobním postupem) a lékové formy s řízeným uvolňováním, u kterých je rychlost nebo místo uvolnění léčivé látky odlišné od forem s neřízeným uvolňováním. Pouţití lékových forem s řízenou liberací podstatně zvyšuje kvalitu terapie a compliance pacienta. Tyto terapeutické systémy mohou léčivo uvolňovat stále stejnou rychlostí. Rychlost liberace v tomto případě nezávisí na aktuálním mnoţství léčiva v zásobníku terapeutického systému. Jedná se o uvolňování podle kinetické rovnice reakce nultého řádu. V tomto případě je mnoţství uvolněné látky x úměrné jen času t : x = k t k. rychlostní konstanta (konstanta úměrnosti) Pokles koncentrace léčiva je dán rovnicí: c o počáteční koncentrace 99) c = c o k t Značnou část terapeutických systémů s řízeným uvolňováním představují disperzní systémy léčiva ve vhodném polymeru. Polymer zde má funkci nosiče (matrice) nebo membrány. Výběr polymeru hraje důleţitou roli. Volíme polymer takových vlastností, aby bylo dosaţeno poţadovaného místa a délky uvolňování léčiva. Polymer musí být samozřejmě netoxický, inertní nebo degradabilní, snadno zpracovatelný do dané lékové formy a musí být schopen absorbovat tkáňový mok nebo ţaludeční tekutinu. 100) Mechanizmus liberace léčiv z polymerních systémů byl vysvětlen na nedegradabilních karbomerových nosičích. Jedná se o komplexní děj, který se skládá z několika fází. Nejprve vstupuje tekutina do polymeru. V polymeru obsaţené léčivo je touto tekutinou rozpouštěno a dochází k jeho uvolnění ze systému. Transport tekutiny do polymeru a následné uvolnění rozpuštěného léčiva je řízeno dočasnou difúzí. Difuzivita léčiva je ovlivněna jednak koncentrací léčiva, ale také mnoţstvím tekutiny obsaţené v polymeru. Na začátku liberace sledujeme rychlé počáteční uvolnění léčiva, 101, 102, 103) s časem poté rychlost liberace klesá. 31

32 Difúze 100,104) Difúze je obecně samovolné šíření látky v daném systému, její transport z jednoho místa na jiné bez makroskopického pohybu, jako je např. proudění. Difúze je důsledkem nepravidelného chaotického tepelného pohybu jednotlivých molekul a iontů. Je to obecná transportní vlastnost všech látek. V plynech, které jsou dokonale mísitelné, se difúze projevuje bez omezení. V kapalinách můţe být omezena malou rozpustností. V kapalných roztocích a směsích nastává difúze mezi místy s rozdílným sloţením neboli s rozdílnou koncentrací sloţek. Kaţdá látka se samovolně šíří ve směru největšího poklesu své koncentrace tzn. ve směru koncentračního spádu, který je hnací silou difúze. Difúze působí tak, aby sloţení roztoku bylo v kaţdém místě stejné. Dochází k vyrovnání koncentrace kaţdé sloţky v celém objemu. Kvantitativně se difúze hodnotí tzv. hustotou difúzního toku i, která číselně udává mnoţství látky prodifundované za časovou jednotku jednotkovou plochou a platí při ni I. Fickův zákon: i = - D c x D.. difúzní koeficient (difuzivita), v jednotkách m 2 s -1 c..rozdíl koncentrací látky mezi místy s malou vzdáleností x c x.koncentrační gradient (záporné znaménko ve vzorci znamená, ţe difúze má směr koncentračního spádu) Z fyzikálního hlediska se polymery mohou nacházet v závislosti na teplotě ve stavu sklovitém nebo kaučukovitém. Ve sklovitém stavu je polymer při teplotách pod teplotou skelného přechodu T g. V tomto stavu jsou molekuly polymeru fixovány v určitých neměných polohách. Probíhá pouze oscilace v rámci vazeb. Pokud zvýšíme teplotu nad T g, přechází polymer do stavu kaučukovitého. Vlivem tepla dochází k překonání interakcí mezi segmenty polymeru, které se nyní mohou volně pohybovat. Difúze kapaliny polymerem ve stavu sklovitém a ve stavu kaučukovitém se liší. V kaučukovitém stavu jsou segmenty polymeru v neustálém pohybu, a tak se vytváří dutinky. Pokud jsou tyto dutinky stejně velké, jako je velikost molekuly inkorporované látky, umoţňuje pohyb segmentů transport dané látky 32

33 polymerem. Vzrůst teploty nebo koncentrace kapaliny obecně urychluje pohyb segmentů a zkracuje dobu relaxace Polymer ve stavu kaučukovitém (CASE I) V tomto stavu reaguje polymer na změnu vnějších podmínek relativně rychle. V přítomnosti kapaliny dochází velmi rychlému přizpůsobení řetězců polymeru tomuto prostředí. Difůze v tomto případě probíhá dle Fickova zákona. Mnoţství kapaliny M t,které difunduje polymerem v čase t je úměrné druhé mocnině času: M t = k t k..kinetická konstanta závislá na difuzivitě a tvaru polymeru a na mnoţství difundující kapaliny v nekonečném čase M Polymer ve stavu sklovitém (CASE II) Z počátku probíhá rychlá difúze kapaliny do polymeru. Po této rychlé difúzi můţe polymer přejít do kaučukovitého stavu, nebo se změnit v nabobtnalý gel. Dále difunduje kapalina polymerem konstantní rychlostí. Mnoţství kapaliny M t absorbované v čase t je dáno vztahem: M t = k t Proces relaxace je v porovnání s difúzí velmi pomalý Polymer ve stavu CASE III Takzvaná non-fickova (nenormální) difúze nastává, pokud rychlost difúze neodpovídá stupni relaxace polymeru. Tento systém se nachází mezi stavy CASE I a CASE II. Mnoţství absorbované kapaliny M t v čase t vypočteme z rovnice: M t = k t n n. určuje mechanizmus bobtnání n = 0,5 CASE I n = 1 CASE II 0,5 n 1 CASE III Polymery pouţívané jako nosiče léčiv v léčivých přípravcích se ve většině případů nacházejí v kaučukovitém stavu. Difúze zde probíhá podle Fickova zákona. 33

34 4.13 Herpetické viry 105, 106) Viry tohoto druhu patří ke strukturálně nejsloţitějším. Jejich virion se skládá ze 4 částí. Genom, který se nachází uvnitř virionu, je tvořen velkou molekulou dvojšroubovice DNA. Tato molekula je obklopena kapsidou, na jejímţ povrchu nalézáme amorfní bílkovinou hmotu označovanou jako tegument. Okolo celého virionu se nachází lipidový obal, na jehoţ povrchu se vyskytují glykoproteinové výrůstky. Infekce způsobené herpetickými viry se šíří především vzdušnou cestou formou kapének, dále přímým kontaktem kůţe nebo sliznic a také pohlavním stykem. Průběh onemocnění těmito viry je různý. Můţe se jednat o nekomplikované infekce aţ po různě závaţná onemocnění, která mohou končit i smrtí. Rozlišujeme tři skupiny herpesvirů (Tab.2). Tab. 2: Klasifikace herpesvirů α herpesviry β herpesviry γ herpesviry HSV-1(herpes simplex) CMV(cytomegalovirus) EBV(Epstein-Barrové) HSV-2 HHV-6(human herpes) HHV-8 VZV (varicella zooster) HHV Herpes simplex virus 107) Tento virus řadíme do skupiny α herpesvirů. Rozlišujeme dva antigenně i biologicky odlišné typy tohoto viru: HSV 1 a HSV 2. Infekce vyvolané HSV 1 jsou lokalizované většinou na obličeji a ústech. Primárním místem pomnoţení viru jsou sliznice úst, oka nebo nosu. Druhý typ HSV 2 se manifestuje nejčastěji v oblasti genitálií. Infekce vede k nekróze infikovaných buněk a zánětlivé infiltraci postiţené oblasti. Na kůţi vznikají praskající puchýřky, na sliznici eroze. Léze ve většině případů nezanechávají jizvy. První infekce způsobené HSV 1 probíhají většinou jiţ v časném dětství. Do dospělosti prodělá infekci 99% populace. Primárně se infekce projevuje na sliznicích, častý je také inaparentní průběh. Jen výjimečně se primární infekce manifestuje v těţké formě např. jako ţivot ohroţující encefalitida. Následná imunita chrání před těţkými průběhy endogenních recidiv i exogenními reinfekcemi. 34

35 Herpes simplex encefalitida Toto onemocnění má typický průběh. Počáteční stádium je nespecifické. Následně se rozvíjí neurologické loţiskové příznaky, jako jsou afázie, lehké parézy či epileptické záchvaty. Stoupá tělesná teplota a dochází k zákalu vědomí. Diagnostika herpetické encefalitidy je moţná rozborem likvoru (nalézáme virově specifické imunoglobuliny IgM) nebo pomocí EEG. Lékem volby pro toto onemocnění je parenterálně podávaný aciklovir. Dále se přidává antiedematózní terapie Herpes simplex corneae Jedná se o zánět způsobený virem HSV 1. Rozlišujeme povrchovou formu (Keratitis dendritica) a hloubkovou formu (Keratitis disciformis). Téměř u všech herpetických onemocnění rohovky pozorujeme sníţenou sensibilitu rohovky. Povrchové formy onemocnění léčíme nasazením antivirotik jako aciklovir nebo idoxuridin. K léčbě hloubkové formy se pouţívají lokální kortikoidy ve formě masti nebo kapek Varicella-zoster virus 108) Tento virus patří stejně jako virus Herpes simplex do skupiny α herpesvirů. Primoinfekce se projevuje jako generalizovaný puchýřkovitý exantém (plané neštovice). Reaktivací latentně perzistrujícího viru Varicella-zoster vzniká herpes zoster (pásový opar) jehoţ projev je omezený na jeden nebo více dermatopů. K reaktivaci dochází zvláště při porušené celulární imunitě Varicella (plané neštovice) Onemocnění se vyskytuje především u dětí mezi 3 10 rokem ţivota. K nákaze dochází především kapénkovou nebo vzdušnou infekcí. Jedná se vysoce nakaţlivou infekci. V hustě osídlených oblastech postihuje aţ 90% všech dětí do 14 let. Infekciozita trvá 1 den před výsevem puchýřků a trvá pouze 7 dalších dní. Inkubační doba je 2 3 týdny. Nemoc se projevuje lehkými prodromálními příznaky s mírnou teplotou a bolestí hlavy. Dále dochází k tvorbě charakteristicky varicelózního exantému. Nejprve vznikají svědící eflorescence, které se v rozmezí 6 8 hodin mění z červených skvrn (maculae) v uzlíčky (papulae) dále v lehce splaskatelné puchýřky (vesiculae) a později v krusty. 35

36 Exantém začíná na trupu a šíří se centripetálně na obličej, na vlasovou část hlavy a také na sliznice a tělní otvory. Méně často se vyskytuje na dlaních a ploskách. V prvních 4 dnech dochází k opakovaným výsevům exantému, proto nacházíme vedle sebe všechna stádia. Po 1 2 týdnech dochází k odpadnutí krust, které často zanechávají depigmentovaná místa na kůţi. Nejčastější komplikací tohoto onemocnění je bakteriální superinfekce, která vzniká v důsledku škrábání svědícího exantému. Někdy dochází i k závaţným komplikacím, jako je akutní cerebrální ataxie nebo meningoencefalitida doprovázená záchvaty křečí a končící často trvalým poškozením mozku. Velmi vzácně se setkáváme s intersticiální pneumonií, hemoragickými planými neštovicemi, trombocytopénií, hemoragickou nefritidou nebo artritidou. Novorozenci, jejichţ matky onemocněli krátce před porodem, a děti s oslabenou imunitou (defekty imunity, léčba cytostatiky nebo glukokortikoidy) mohou prodělat těţké onemocnění s trombocytopénií a postiţením vnitřních orgánů, které často končí i smrtí. Terapie nemoci spočívá v zabránění vzniku superinfekce. Dětem se nakrátko stříhají nehty na rukou a nohou, na exantémy se nanáší protisvědivé pudry, eventuelně se mohou podat perorální antihistaminika. U rizikových pacientů profylakticky podáváme zosterový imunoglobulin v prvních 3 dnech po expozici, dále nasazujeme parenterální léčbu aciklovirem Herpes zoster (pásový opar) Herpes zoster je druhotná infekce vyvolaná virem Varicella-zoster. Při tomto onemocnění dochází k segmentálnímu postiţení kůţe. Zpočátku vzniká ganglionitis posterior, poté se virus šíří přes senzorická vlákna do kůţe a na orgány příslušející k danému segmentu. Výskyt tohoto onemocnění je sporadický a postihuje převáţně dospělé. První příznaky, které pozorujeme po 7-14 denní inkubaci, jsou nespecifické (lehce zvýšená teplota). Následně se v oblasti zásobení postiţeného senzitivního ganglia objevují bolesti a 3 5 den pak i typické koţní projevy ve formě segmentálně uspořádaných puchýřků na skvrnitém erytému. Nejvíce bývají postiţeny segmenty torakální, dolní cervikální, dále oblast 1. větve trigeminu (zoster ophtalmicus) nebo oblast ucha při postiţení ganglion geniculi (zoster oticus). Po několika dnech bolesti ustupují. Puchýřky zasychají a postupně odpadávají, často však zanechávají změny pigmentace kůţe. V postiţené oblasti vzniká porucha čití. Jen vzácně dochází k 36

37 motorickým výpadům se ztrátou reflexů a atrofickou parézou v postiţeném segmentu. U některých pacientů se mohou i po zhojení koţních projevů objevovat dlouhotrvající, částečně vystřelující bolesti tzv. postherpetické neuralgie. Závaţnou komplikací této nemoci je zosterová meningitida, zosterová myelitida a vzácná zosterová encefalitida. Terapie zosterových infekcí spočívá v podávání antivirotik acikloviru p.o. 5 x denně 200 mg po dobu 5 dní, nebo parenterálně 3 x 10 mg/kg/24h ve 2 3 krátkých infuzích. Dále se podávají kortikoidy a dermatologická lokální terapie Zoster oticus Zoster oticus se v důsledku postiţení ganglion geniculi virem Varicella-zoster vyznačuje bolestí v uchu, laterálně v obličeji a na krku s šířením do krajiny ucha. Dalšími symptomy jsou horečka, výsev puchýřků ve zvukovodu a na bubínku nebo boltci. V prvním nebo druhém týdnu se můţe také objevit periférní paréza VII hlavového nervu. Nastává také jednostranná porucha funkce sluchového nervu (percepční nedoslýchavost aţ hluchota, hučení v uchu) a lícního nervu. V časném stádiu léčíme onemocnění podáním virostatik aciklovir, dále podáváme analgetika a vitamíny skupiny B Zoster ophtalmicus Při tomto onemocnění zasahuje virus Varicella-zoster oblast 1. větve trigeminu. Dochází k jednostrannému postiţení kůţe čela s konjunktivální a korneální infekcí. Často také vzniká keratitida, iritida, neuritida II hlavového nervu a parézy očních svalů. 37

38 4.14 Antivirotika Jako antivirotika označujeme léčiva pouţívaná k léčbě a profylaxi virových onemocnění. Profylaktické pouţití má opodstatnění zejména u osob, které jsou k infekci náchylnější např. lidé po transplantacích či s různými imunodeficitními onemocněními. Dnes jiţ známe řadu specificky účinných virostatik, která inhibičně zasahují do procesu mnoţení virů. Virové geny, které pronikly do buněk a perzistrují zde v klidovém stavu, nejsme v současné době schopni farmakoterapeuticky ovlivnit. Dosud dostupná protivirová léčiva s vysokou specifitou vůči metabolickým procesům podmíněným viry se vyznačují výraznou selektivitou vůči virům. Zatím neexistují dobře snášená virostatika se širokým spektrem. Do skupiny antivirotik antimetabolitů řadíme léčiva, jako jsou např. aciklovir, valaciklovir, famciklovir a penciklovir. 109) Aciklovir Obr. 9 : Strukturní vzorec acikloviru 110) Je prototypem specifického a velmi dobře snášeného virostatika. Jedná se o derivát guaninu, v jehoţ molekule je deoxyribóza nahrazena alifatickým zbytkem. Řadíme ho mezi tzv. antimetabolity nukleosidové analogy. 109) Aciklovir (ACV) je bílý nebo téměř bílý krystalický prášek. Je těţce rozpustný ve vodě, snadno rozpustný v dimethylsulfoxidu a jen velmi těţce rozpustný v lihu 96 %. Rozpouští se ve zředěných roztocích minerálních kyselin a alkalických hydroxidů. 110) Vyuţití nalezl především při léčbě infekcí vyvolaných herpetickými viry Herpes simplex a Varicella-zoster. Proniká sice do všech buněk, ale pouze v buňkách, které jsou napadené virem, je přeměněn na aktivní formu. K této aktivaci dochází působením specifické thymidinkinázy, která je kódovaná herpetickým virem. Tento fakt je 38

39 podstatou selektivity aciklovir. Enzym thymidinkináza je nezbytná pro připojení prvního fosfátového zbytku na aciklovir. Z ACV-monofosfátu vzniká dále působením buněčných kináz ACV-trifosfát, který se hromadí uvnitř buňky napadené virem. 109) Vlastní mechanizmus virostatického účinku acikloviru spočívá v interakci ACVtrifosfátu s virovou DNA-polymerázou. Dochází k její inhibici a po inkorporaci fosforizovaného aciklovir do virové DNA i k ukončení její syntézy. Syntéza nemůţe dále pokračovat, neboť aciklovir nemá ve své molekule 3 -OH skupinu, která je nezbytná k napojení dalších nukleotidů. Aciklovir je vylučován především v nezměněném stavu ledvinami glomerulární filtrací a tubulární sekrecí. 111, 112) Poločas eliminace je přibliţně 2,5 hodiny. 109) Byla provedena studie eliminace ACV, při níţ byl pouţit radioaktivní [ 14 C] aciklovir, který byl aplikován intravenózně. Bylo zjištěno, ţe % radioaktivního ACV bylo vyloučeno močí v nezměněném stavu. Zbytek léčiva byl metabolizován především na karboxymethylguanin. 113) Při perorálním podání je aciklovir nedostatečně resorbován. Z tohoto důvodu byl vyvinut valaciklovir Valaciklovir Obr.10 : Strukturní vzorec valacikloviru 114) Jedná se o derivát valinového esteru (L-valylester aciklovir). Je to biologicky aktivovatelný prekurzor, který je ve srovnání s aciklovirem lépe vstřebáván. Jeho biologická dostupnost je aţ 50 %. Při průchodu střevní stěnou a v játrech dochází k tzv. presystémové aktivaci esterázami. Molekula valacikloviru je rozštěpena na aciklovir a valínový zbytek. 109) 39

40 Obr. 11 : Aktivace valacikloviru 109) V současné době je valaciklovir registrován k léčbě infekcí vyvolaných viry Herpes zoster a Herpes genitálie Famciklovir Obr.12 : Strukturní vzorec famcikloviru 115) Je to prekurzor s antiherpetickým účinkem. Jeho velkou výhodou je dobrá dostupnost při perorálním podání, která se pohybuje okolo 80 %. V těla dochází k jeho velmi intenzivní přeměně na penciklovir. 109, 116) Koncentrace famcikloviru v plazmě a moči je velmi nízká aţ nedetekovatelná. 111) Z molekuly famcikloviru jsou odštěpeny dva acetátové zbytky z postranního řetězce a purinový kruh je oxidován na guanin. 40

41 Obr. 13 : Aktivace famcikloviru 109) Famciklovir se od aciklovir liší především,,abnormálním cukrem. Podává se u infekcí vyvolaných viry Herpes genitális a Herpes zoster. 109) Penciklovir Obr. 14 : Strukturní vzorec pencikloviru 117) Tato látka je nevhodná k perorálnímu podání, protoţe její biologická dostupnost je pouze 5 %. Vyuţívá se především v přípravcích k lokální aplikaci u oparu rtu. 41