Дослідження водних розчинів полоксамерів методами ротаційної віскозиметрії та спінових зондів

Автор(и)

  • Микола Олександрович Ляпунов Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України», Україна https://orcid.org/0000-0002-5036-8255
  • Олена Петрівна Безугла Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України», Україна https://orcid.org/0000-0002-3629-7059
  • Олексій Миколайович Ляпунов Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України», Україна https://orcid.org/0000-0001-6103-7489
  • Олексій Андрійович Лисокобилка Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України», Україна https://orcid.org/0000-0003-2071-9955

DOI:

https://doi.org/10.15587/2519-4852.2023.285933

Ключові слова:

полоксамер, розчин, гель, в’язкість, міцела, спіновий зонд, спектр ЕПР, параметри спектрів

Анотація

Мета. Дослідити водні розчини різних полоксамерів методами спінових зондів та ротаційної віскозиметрії залежно від температури і вмісту полоксамерів.

Матеріали та методи. Об’єкти дослідження – водні розчини полоксамерів 188, 237, 338 і 407. Розчини досліджували методом ротаційної віскозиметрії при різних температурах; визначали тип течії, нижню межу плинності (t0), динамічну або уявну в’язкість (η). В розчини вводили 5 спінових зондів, що різняться за молекулярною структурою, розчинністю та локалізацією радикалів. Отримували спектри електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). За спектрами ЕПР визначали їх тип і розраховували параметри.

Результати. Для утворення гелю важливими є три фактори: тип полоксамеру, його концентрація в водному розчині та температура. З підвищенням температури водних розчинів полоксамерів 237, 338 і 407 зменшуються часи кореляції обертальної дифузії спінових зондів на основі жирних кислот та параметри впорядкованості їх спектрів ЕПР. Це свідчить про зменшення щільності упаковки й впорядкованості поліпропіленоксидних (ППО) ланцюгів в неполярній частині асоціатів полоксамерів, що приводить до збільшення об’ємної частки міцел/мезофаз і сприяє утворенню гелів. При зменшенні температури відбуваються протилежні процеси, які приводять до гель → золь переходу. При температурі 37°C неполярні ядра міцел можуть бути охарактеризовані як двомірно рідкі та одномірно тверді. Часи кореляції обертальної дифузії гідрофільного спінового зонда 4-OXO-TEMPO в 25 % водних розчинах полоксамерів 338 і 407 всупереч підвищенню температури залишаються приблизно на постійному рівні або зростають. Це свідчить, що в полярній частині асоціатів полоксамерів, де частково локалізується цей зонд, з підвищенням температури відбуваються структурні перебудови, які, напевно, запобігають гідрофобній гідратації PPO ланцюгів.

Висновки. Реологічні властивості водних розчинів полоксамерів залежать від їх типу і концентрації та температури. За параметрами спектрів ЕПР спінових зондів на основі жирних кислот встановлено, що з підвищенням температури відбувається зменшення щільності упаковки й впорядкованості ППO ланцюгів в неполярній частині асоціатів полоксамерів, через що, ймовірно, збільшується об’ємна частка міцел і відбувається золь → гель перехід

Біографії авторів

Микола Олександрович Ляпунов, Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України»

Доктор фармацевтичних наук, професор, провідний науковий співробітник

Лабораторія технології та аналізу лікарських засобів

Олена Петрівна Безугла, Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України»

Кандидат фармацевтичних наук, старший науковий співробітник, завідувач лабораторії

Лабораторія технології та аналізу лікарських засобів

Олексій Миколайович Ляпунов, Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України»

Кандидат фармацевтичних наук, науковий співробітник

Лабораторія технології та аналізу лікарських засобів

Олексій Андрійович Лисокобилка, Державна наукова установа «Науково-технологічний комплекс «Інститут монокристалів» Національної академії наук України»

Молодший науковий співробітник

Лабораторія технології та аналізу лікарських засобів

Посилання

  1. The European Pharmacopoeia (2019). European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare of the Council of Europe, Strasbourg, 5224.
  2. Sheskey, P. J., Hancock, B. C., Moss, G. P., Goldfarb, D. J. (Eds.) (2020). Handbook of Pharmaceutical Excipients. London: Pharm. Press, 1296.
  3. Bodratti, A., Alexandridis, P. (2018). Formulation of Poloxamers for Drug Delivery. Journal of Functional Biomaterials, 9 (1), 11. doi: https://doi.org/10.3390/jfb9010011
  4. Bodratti, A. M., Sarkar, B., Alexandridis, P. (2017). Adsorption of poly(ethylene oxide)-containing amphiphilic polymers on solid-liquid interfaces: Fundamentals and applications. Advances in Colloid and Interface Science, 244, 132–163. doi: https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.09.003
  5. Mortensen, K., Talmon, Y. (1995). Cryo-TEM and SANS Microstructural Study of Pluronic Polymer Solutions. Macromolecules, 28 (26), 8829–8834. doi: https://doi.org/10.1021/ma00130a016
  6. Alexandridis, P., lan Hatton, T. (1995). Poly(ethylene oxide) poly(propylene oxide) poly(ethylene oxide) block copolymer surfactants in aqueous solutions and at interfaces: thermodynamics, structure, dynamics, and modeling. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 96 (1-2), 1–46. doi: https://doi.org/10.1016/0927-7757(94)03028-x
  7. Alexandridis, P., Athanassiou, V., Fukuda, S., Hatton, T. A. (1994). Surface Activity of Poly(ethylene oxide)-block-Poly(propylene oxide)-block-Poly(ethylene oxide) Copolymers. Langmuir, 10 (8), 2604–2612. doi: https://doi.org/10.1021/la00020a019
  8. Alexandridis, P., Holzwarth, J. F., Hatton, T. A. (1994). Micellization of Poly(ethylene oxide)-Poly(propylene oxide)-Poly(ethylene oxide) Triblock Copolymers in Aqueous Solutions: Thermodynamics of Copolymer Association. Macromolecules, 27 (9), 2414–2425. doi: https://doi.org/10.1021/ma00087a009
  9. Raval, A., Pillai, S. A., Bahadur, A., Bahadur, P. (2017). Systematic characterization of Pluronic® micelles and their application for solubilization and in vitro release of some hydrophobic anticancer drugs. Journal of Molecular Liquids, 230, 473–481. doi: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.01.065
  10. Cabana, A., Aı̈t-Kadi, A., Juhász, J. (1997). Study of the Gelation Process of Polyethylene Oxidea–Polypropylene Oxideb–Polyethylene OxideaCopolymer (Poloxamer 407) Aqueous Solutions. Journal of Colloid and Interface Science, 190 (2), 307–312. doi: https://doi.org/10.1006/jcis.1997.4880
  11. Prud’homme, R. K., Wu, G., Schneider, D. K. (1996). Structure and Rheology Studies of Poly(oxyethylene−oxypropylene−oxyethylene) Aqueous Solution. Langmuir, 12 (20), 4651–4659. doi: https://doi.org/10.1021/la951506b
  12. Soliman, K. A., Ullah, K., Shah, A., Jones, D. S., Singh, T. R. R. (2019). Poloxamer-based in situ gelling thermoresponsive systems for ocular drug delivery applications. Drug Discovery Today, 24 (8), 1575–1586. doi: https://doi.org/10.1016/j.drudis.2019.05.036
  13. Cook, M. T., Brown, M. B. (2018). Polymeric gels for intravaginal drug delivery. Journal of Controlled Release, 270, 145–157. doi: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2017.12.004
  14. Russo, J., Fiegel, J., Brogden, N. K. (2020). Rheological and Drug Delivery Characteristics of Poloxamer-Based Diclofenac Sodium Formulations for Chronic Wound Site Analgesia. Pharmaceutics, 12 (12), 1214. doi: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics12121214
  15. Russo, E., Villa, C. (2019). Poloxamer Hydrogels for Biomedical Applications. Pharmaceutics, 11 (12), 671. doi: https://doi.org/10.3390/pharmaceutics11120671
  16. Zhang, T., Chen, S., Dou, H., Liu, Q., Shu, G., Lin, J. et al. (2021). Novel glucosamine-loaded thermosensitive hydrogels based on poloxamers for osteoarthritis therapy by intra-articular injection. Materials Science and Engineering: C, 118, 111352. doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111352
  17. Abdeltawab, H., Svirskis, D., Sharma, M. (2020). Formulation strategies to modulate drug release from poloxamer based in situ gelling systems. Expert Opinion on Drug Delivery, 17 (4), 495–509. doi: https://doi.org/10.1080/17425247.2020.1731469
  18. Wanka, G., Hoffmann, H., Ulbricht, W. (1990). The aggregation behavior of poly-(oxyethylene)-poly-(oxypropylene)-poly-(oxyethylene)-block-copolymers in aqueous solution. Colloid & Polymer Science, 268 (2), 101–117. doi: https://doi.org/10.1007/bf01513189
  19. Alexandridis, P., Zhou, D., Khan, A. (1996). Lyotropic Liquid Crystallinity in Amphiphilic Block Copolymers: Temperature Effects on Phase Behavior and Structure for Poly(ethylene oxide)-b-poly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide) Copolymers of Different Composition. Langmuir, 12 (11), 2690–2700. doi: https://doi.org/10.1021/la951025s
  20. Alexandridis, P., Olsson, U., Lindman, B. (1998). A Record Nine Different Phases (Four Cubic, Two Hexagonal, and One Lamellar Lyotropic Liquid Crystalline and Two Micellar Solutions) in a Ternary Isothermal System of an Amphiphilic Block Copolymer and Selective Solvents (Water and Oil). Langmuir, 14 (10), 2627–2638. doi: https://doi.org/10.1021/la971117c
  21. Sarkar, B., Venugopal, V., Bodratti, A. M., Tsianou, M., Alexandridis, P. (2013). Nanoparticle surface modification by amphiphilic polymers in aqueous media: Role of polar organic solvents. Journal of Colloid and Interface Science, 397, 1–8. doi: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2013.01.034
  22. Valero, M., Castiglione, F., Mele, A., da Silva, M. A., Grillo, I., González-Gaitano, G., Dreiss, C. A. (2016). Competitive and Synergistic Interactions between Polymer Micelles, Drugs, and Cyclodextrins: The Importance of Drug Solubilization Locus. Langmuir, 32 (49), 13174–13186. doi: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b03367
  23. Cook, M. T., Abou-Shamat, M. A., Stair, J. L., Calvo-Castro, J. (2022). Raman spectroscopy coupled to computational approaches towards understanding self-assembly in thermoreversible poloxamer gels. Journal of Molecular Liquids, 351, 118660. doi: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.118660
  24. Berliner, L. (Ed.). (1979). Metod spinovyih metok. Teoriya i primenenie. Moscow: Mir, 635.
  25. Georgieva, E. R. (2017). Nanoscale lipid membrane mimetics in spin-labeling and electron paramagnetic resonance spectroscopy studies of protein structure and function. Nanotechnology Reviews, 6 (1), 75–92. doi: https://doi.org/10.1515/ntrev-2016-0080
  26. Sahu, I. D., Lorigan, G. A. (2021). Probing Structural Dynamics of Membrane Proteins Using Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopic Techniques. Biophysica, 1 (2), 106–125. doi: https://doi.org/10.3390/biophysica1020009
  27. Camargos, H. S., Alonso, A. (2013). Electron paramagnetic resonance (EPR) spectral components of spin-labeled lipids in saturated phospholipid bilayers: effect of cholesterol. Química Nova, 36 (6), 815–821. doi: https://doi.org/10.1590/s0100-40422013000600013
  28. Catte, A., White, G. F., Wilson, M. R., Oganesyan, V. S. (2018). Direct Prediction of EPR Spectra from Lipid Bilayers: Understanding Structure and Dynamics in Biological Membranes. ChemPhysChem, 19 (17), 2183–2193. doi: https://doi.org/10.1002/cphc.201800386
  29. Farafonov, V. S., Lebed, A. V. (2020). Nitroxyl spin probe in ionic micelles: A molecular dynamics study. Kharkiv University Bulletin. Chemical Series, 34 (57), 57–64. doi: https://doi.org/10.26565/2220-637x-2020-34-02
  30. Bezuglaya, E., Lyapunov, N., Lysokobylka, O., Liapunov, O., Klochkov, V., Grygorova, H., Liapunova, A. (2021). Interaction of surfactants with poloxamers 338 and its effect on some properties of cream base. ScienceRise: Pharmaceutical Science, 6 (34), 4–19. doi: https://doi.org/10.15587/2519-4852.2021.249312
  31. Bezuglaya, E., Lyapunov, N., Chebanov, V., Liapunov, O. (2022). Study of the formation of micelles and their structure by the spin probe method. ScienceRise: Pharmaceutical Science, 4 (38), 4–18. doi: https://doi.org/10.15587/2519-4852.2022.263054
  32. Rusanov, A. I., Shchyokin, A. K. (2016). Micelloobrazovanie v rastvorah poverhnostno-aktivnyh veshchestv. Saint-Peterburg: OOO «Izdatel'stvo «Lan'», 612.
  33. Markus, F., Dreher, F., Laschat, S., Baudis, S., Tovar, G. E. M., Southan, A. (2017). Physically and chemically gelling hydrogel formulations based on poly(ethylene glycol) diacrylate and Poloxamer 407. Polymer, 108, 21–28. doi: https://doi.org/10.1016/j.polymer.2016.11.039
  34. Lykhtenshtein, G. I. (1974). Metod spinovykh zondov v molekuliarnoi biologii, Moscow: Nauka, 256.
  35. Kuznecov, A. N. (1976). Metod spinovogo zonda (Osnovy i primenenie), Moscow: Nauka, 210.
Дослідження водних розчинів полоксамерів методами ротаційної віскозиметрії та спінових зондів

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-08-31

Як цитувати

Ляпунов, М. О., Безугла, О. П. ., Ляпунов, О. М., & Лисокобилка, О. А. . (2023). Дослідження водних розчинів полоксамерів методами ротаційної віскозиметрії та спінових зондів. ScienceRise: Pharmaceutical Science, (4(44), 4–18. https://doi.org/10.15587/2519-4852.2023.285933

Номер

№ 4(44) (2023)

Розділ

Фармацевтичні науки

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Nikolay Lyapunov, Elena Bezuglaya, Oleksii Liapunov, Oleksii Lysokobylka

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу.