ВМС, КЛАССИФИКАЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКА. ПРИМЕНЕНИЕ В ФАРМАЦИИ. РАСТВОРЫ ВМС. ТЕХНОЛОГИЯ. НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

52
ВМС, КЛАССИФИКАЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКА. ПРИМЕНЕНИЕ
В ФАРМАЦИИ. РАСТВОРЫ ВМС. ТЕХНОЛОГИЯ. НАПРАВЛЕНИЯ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
План:
1. ВМС. Классификация, строение и свойства.
2. Свойства растворов ВМС.
3. Нарушение устойчивости растворов ВМС.
4. Применение ВМС в фармации.
5. Приготовление растворов некоторых природных ВМС.
1. ВМС. Классификация. Строение и свойства
Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это вещества, молекулы
которых состоят из большого числа химически связанных атомов. Такие
молекулы называют макромолекулами. Их молярные массы находятся в
пределах 104<М<106 г/моль. ВМС могут быть природного происхождения
(белки, высшие полисахариды, пектины, натуральный каучук) или
синтетические (пластмассы, синтетические волокна). Природные ВМС
(биополимеры) являются структурной основой всех живых организмов.
В последнее время большое количество ВМС получают синтетическим
путем. Известно два принципиально различающихся метода синтеза ВМС –
полимеризация и поликонденсация. Наряду с синтетическими методами
получения ВМС из низкомолекулярных соединений представляет интерес
получение полимеров методом химических превращений. Этот метод состоит в
том, что готовое высокомолекулярное соединение вступает в различные
химические реакции, с помощью которых вводятся новые функциональные
группы, либо имеющиеся функциональные группы превращаются в другие,
либо происходят сшивки готовых макромолекул или деструкция, что придает
полимерам другие свойства.
По пространственной структуре полимеры подразделяют на следующие
группы: линейные, разветвленные и пространственные.
Линейные полимеры построены из длинных одномерных элементов
структуры – отдельных макромолекул или молекулярных блоков. К ним
относятся натуральный каучук, желатин, целлюлоза.
Разветвленные полимеры состоят из цепей с боковыми ответвлениями.
Это крахмал (гликоген), амилопектин, дивиниловый каучук и другие.
Пространственные полимеры представляют собой трехмерную сетку,
которая образуется при соединении отрезков цепей химическими связями
(например, фенолформальдегидные смолы). Пространственные полимеры, цепи
которых сшиты короткими мостичными связями, например, атомами О или S,
называются сшитыми (резина, эбонит, некоторые акриловые полимеры).
Структура полимерных цепей существенно влияет на физические
свойства полимеров. Так, линейные макромолекулы могут плотно
располагаться друг около друга, за счет чего межмолекулярное взаимодействие
усиливается и полимеры могут образовывать кристаллическую структуру. Это
53
определяет их высокую плотность, теплостойкость и другие свойства.
Разветвленные макромолекулы не упаковываются легко в кристаллическую
решетку и поэтому физические свойства их ухудшаются. Сильно сшитые
полимеры неплавки, нерастворимы в любых растворителях (но могут
ограниченно набухать), не способны к высокоэластичным деформациям. Даже
биологическая активность одного и того же полимера различна в зависимости
от структуры цепи макромолекулы.
Специфические свойства полимеров обусловлены главным образом
двумя особенностями: 1) существованием двух типов связей – химических и
межмолекулярных, удерживающих макромолекулярные цепи друг около друга;
2) гибкостью цепей, связанной с внутренним вращеньем звеньев. В результате
чего макромолекула может изменять пространственную форму путем перехода
из одной конформации к другой. В результате конформационных изменений
макромолекулы могут либо свертываться, образуя глобулы и клубки или
выпрямляться и укладываться в ориентированные структуры – пачки. Наиболее
вероятной конформацией молекулы ВМС является клубок, или глобула.
Гибкость цепей полимеров зависит от химического строения цепи, природы
заместителей, их числа и распределения по длине цепи, числа звеньев в цепи.
2. Свойства растворов ВМС
Растворы ВМС, как и растворы низкомолекулярных соединений (НМС),
являются гомогенными, термодинамически равновесными и агрегативно
устойчивыми системами. Это истинные растворы.
Однако свойства растворов ВМС (табл. 1) существенно отличаются от
свойств растворов НМС. Отличия заключается в том, что растворы ВМС
обладают малой скоростью диффузии, малым осмотическим давлением,
значительной вязкостью, чем соответствующие им по концентрации растворы
НМС. Растворы ВМС имеют также свойства. Не присущие растворам НМС:
светорассеивание, тиксотропия.
Тиксотропия
–
способность
в
изотермических
условиях
самопроизвольно восстанавливать свою структуру после механического
разрушения.
Таблица 1
Характеристики и свойства различных дисперсных систем
Растворы истинные
Характеристики и свойства
Низкомолекулярн
ВМС
ых веществ
1. Дисперсологическая характеристика
Гомогенная система
1.1. Дисперсионная среда
жидкая
Жидкая
1.2. Дисперсная фаза
Молекулы, ионы Макромолекулы
1.3. Поверхность раздела фаз
Нет
Нет
1.4. Размер частиц дисперсной фазы, нм
До 1
1-100
-9
-9
(до 10 М)
(10 – 10-7 м)
54
2. Устойчивость
2.1. Агрегативная
2.2. Термодинамическая
3. Физические свойства
3.1. Диффузия
3.2. Диализ
3.3. Осмотическое давление
3.4. Броуновское движение
3.5. Конус Тиндаля
3.6. Вязкость
3.7. Возможность ультрафильтрации
(диаметр пор фильтра менее 1 нм)
3.8. Возможность фильтрации через
бумажный фильтр
3.9. Возможные явления под действием
электролитов, спирта, сиропов, глицерина
Устойчивы
Устойчивы
Устойчивы
Устойчивы
Хорошо
выражена
Происходит
Высокое
Есть
Нет
Низкая
Слабо выражена
Есть
Есть
Изменение
растворимости
Не происходит
Низкое
Есть
Нет
Относительно
высокая
Нет
Есть для невязких
растворов
Высаливание
(дегидратация)
Растворение ВМС происходит самопроизвольно, но имеет характерную
особенность, растворению предшествует набухание, которое заключается в
увеличении объема и массы полимера за счет поглощения им какого-то
количества растворителя. Количественной мерой набухания является степень
набухания α, которая может иметь объемное или массовое выражение:
α=
V – V0
V0
или
α=
m – m0
, где
m0
α – степень набухания;
V0 и V, m0 и m – соответственно объемы и массы исходного и набухавшего
полимера.
Причина набухания заключается в различии свойств двух компонентов –
ВМС и НМС. Скорость этого процесса определяется подвижностью молекул,
коэффициентом их диффузии. Специфика набухания полимеров заключается в
том, что взаимодействуют и смешиваются молекулы, различающиеся между
собой на много порядков по своим размерам и подвижности. Поэтому переход
макромолекул в фазу растворителя происходит очень медленно, тогда как
молекулы НМС быстро проникают в сетку полимера, раздвигая цепи и
увеличивая его объем.
Гибкость цепей облегчает проникновение малых молекул в сетку
полимера. То есть, процесс набухания представляет собой одностороннее
смещение, обусловленное большим различием в размерах молекул.
Способность к набуханию есть свойство полимера, определяемое его
составом и строением, как и структурно-механические его свойства. Поэтому
процесс набухания всегда специфичен. Полимер набухает ни в любом, а лишь в
55
«хорошем» растворителе, с которым он взаимодействует. Это взаимодействие
связано с полярностью. Поэтому полярные полимеры набухают в полярных
жидкостях, например, белки в воде, неполярные – в неполярных (каучук в
бензоле).
Набухание может быть ограниченным и неограниченным. В первом
случае α достигает постоянной предельной величины (например, набухание
желатина в воде при комнатной температуре), во втором – значения m и α
проходят через максимум, после которого полимер постепенно растворяется
(например, желатин в горячей воде). В этом случае набухание является
начальной стадией растворения.
Процесс набухания можно разделить на 2 стадии. На первой стадии
происходит выделение теплоты ∆Н, наблюдается контракция системы
(уменьшение общего объема). Вторая стадия почти не сопровождается
контракцией и выделением теплоты, но характеризуется увеличением α и
объема набухающего полимера.
Ограниченное набухание обычно заканчивается на второй стадии,
неограниченное приводит к растворению полимера. Ограниченно набухший
полимер называется студнем.
Одним из факторов, влияющим на процесс набухания и растворения
полимеров, является степень полярности звеньев полимера и молекул
растворителя. Если полярности звеньев цепи и молекул растворителя близки
между собой, то набухание и растворение таких полимеров происходит
относительно легко.
Вторым фактором, способствующим этим процессам, является гибкость
цепей полимера, так как процесс растворения связан с отделением цепей друг
от друга и диффузией их в растворителе.
Определенное значение в процессах набухания и растворения ВМС имеет
молярная масса полимера, поскольку с удлинением цепей энергия
взаимодействия между ними возрастает и для отделения их друга от друга
требуется больше энергии. Чем выше молярная масса полимера, тем труднее он
растворяется. На процесс набухания влияет также температура, рН среды,
присутствие электролитов.
3. Нарушение устойчивости растворов ВМС
Растворы ВМС – устойчивые системы, однако при определенных
условиях возможно нарушение устойчивости, что приводит к высаливанию,
коацервации, застудневанию.
Высаливание ВМС. Растворы ВМС образуются самопроизвольно и
являются термодинамически устойчивыми.
Под влиянием электролитов происходит процесс выделения ВМС из
раствора, называемый высаливанием. Для разрушения раствора ВМС требуется
большая концентрация электролита.
В основе механизма высаливания ВМС лежит процесс дегидратации.
Ионы введенного электролита и молекулы спирта как бы «отнимают» большую
часть растворителя от макромолекулы полимера. Концентрацию электролита,
при которой наступает быстрое осаждение полимера, называют порогом
56
высаливания ВМС. Высаливающее действие ионов изменяется в соответствии
с их гидратируемостью. Высаливание ВМС имеет большое практическое
значение. Его применяют для фракционирования белков, полисахаридов и
других веществ.
В фармацевтической технологии высаливание часто применяют в
производстве ферментных и других препаратов из животного сырья с целью
осаждения примесей сопутствующих белков или для выделения действующего
белка (гормона, фермента).
В аптечной технологии лекарств высаливающее действие электролитов (а
также этилового спирта, сахарного сиропа), учитывают при изготовлении
растворов ВМС. Этиловый спирт и большие количества электролитов
несовместимы с раствором ВМС.
Коацервация. При нарушении устойчивости раствора ВМС возможно
образование коацервата – новой жидкой фазы, обогащенной полимером. Это
явление носит название коацервации и характерно для ряда белков. Оно
заключается в разложении системы на две фазы, из которых одна представляет
собой раствор ВМС в растворителе, а другая – раствор растворителя в ВМС.
Коацерват может находиться в исходном растворе в виде капель или
образовывать сплошной слой (расслаивание). Процессу коацервации
способствует низкая температура, изменения рН среды, введение
низкомолекулярных электролитов. Наиболее изучена коацервация белков и
полисахаров в водных растворах. Коацервацию используют при
микрокапсулировании лекарств.
Застудневание. В результате ограниченного набухания ВМС или
частичного испарения растворителя из раствора ВМС образуются студни.
Таким образом, студень можно рассматривать как ограниченно набухший
полимер или концентрированный раствор полимера. Студни – это гомогенные
системы. При старении гомогенность студней нарушается вследствие
синерезиса – постепенного сжатия полимерной сетки (матрицы) и выделения
жидкой фазы.
Синерезиз сопровождается уплотнением пространственной структурысетки и уменьшением объема студня. Пример синерезиса – отделение
сыворотки при свертывании крови.
Явление студнеобразования широко применяется при создании
лекарственных препаратов – мазей и суппозиториев на соответствующих
основах, депо лекарственных веществ, сорбентов, мембран с регулируемой
скоростью высвобождения. Студни используют в процессе гельпроникающей
хроматографии при разделении
на группы суммарных (например,
экстракционных) препаратов, а также для
получения обессоленных
препаратов, в том числе обессоленной воды.
Таким образом, разнообразные специфические свойства природных и
синтетических полимеров широко используются в фармацевтической
технологии. Применение их идет по разным направлениям.
57
Таблица 2
Применение ВМС в фармации
ВМС
Лекарственные
вещества
Пепсин
Панкреатин
Трипсин
Стрептодеказа
и др.
Вспомогательные вещества
1. Стабилизаторы суспензий и эмульсий
(желатоза, производные целлюлозы
и др.)
2. Солюбилизаторы (жиросахара).
3. Вспомогательные вещества в
производстве таблеток (производные
целлюлозы, крахмал, ПЭО, желатин,
пектин и др.).
4. Оболочки для медицинских капсул
(желатин).
5. Мазевые и суппозиторные основы
(ПВС, ПЭО, ПВП, производные
целлюлозы, коллаген, силиконы
и др.).
6. Пролонгаторы (ПВС, ПВП, Na – КМЦ,
МЦ и др.)
Тароупаковочные
и упаковочные
материалы
Флаконы, пробки,
пленочные
упаковки
(полиэтилен,
полистирол,
поликарбонат
и др.)
5. Приготовление растворов некоторых природных ВМС
Растворы пепсина
Пепсин, являющийся ферментом, относится к неограниченно
набухающим ВМС. В рецептах чаще всего выписывается в сочетании с
хлористоводородной кислотой. Готовят раствор пепсина массо-объемным
методом. Так как пепсин инактивируется в сильных кислотах, большое
значение имеет порядок смешивания компонентов прописи.
Вначале готовят раствор кислоты и в нем растворяют пепсин. Растворы
пепсина фильтруют через ватный тампон или стеклянный фильтр. Не
рекомендуется фильтровать раствор пепсина через фильтры из бумаги, т.к. он
адсорбируется на них, что приводит к уменьшению концентрации фермента.
Растворы желатина
Желатин относится к ограниченно набухающим ВМС. Готовят растворы
желатина массо-объемным методом. В тарированную фарфоровую чашку
помещают рассчитанное количество желатина, заливают четырехкратным
количеством воды очищенной и оставляют для набухания на 40-60 минут. К
набухшему желатину добавляют оставшееся количество воды и нагревают на
58
водяной бане до растворения желатина. Полученный теплый раствор
фильтруют через двойной слой марли в отпускной флакон. Флакон
укупоривают и оформляют к отпуску.
Растворы крахмала
Ограниченно набухающее ВМС. Растворы крахмала готовят по массе.
Если концентрация раствора не указана, то готовят 2% раствор по прописи ГФ
VII:
Крахмала – 1 часть,
Воды холодной – 4 части,
Воды горячей – 45 частей,
Например:
Возьми: Раствора крахмала 100,0
Дай. Обозначь. Для клизмы.
В фарфоровой чашке кипятят 90 мл воды очищенной и в кипящую воду
добавляют приготовленную в стаканчике взвесь 2,0 крахмала в 8 мл холодной
воды. Смесь энергично перемешивают, не допуская комкования. Кипятят не
более 1-1,5 мин до получения прозрачного раствора, при необходимости
доводят массу раствора до 100,0. Укупоривают. Оформляют к отпуску.
Литература:
1. Полимеры в фармации. /Под ред. А.И. Тенцовой и М.Т. Алюшина. М.:
Медицина, 1985.-254 с.
2. Тютенков О.Л., Филипин Н.А., Яковлева Ж.И. Тара и упаковка готовых
лекарственных средств. – М.: Медицина, 1982-128 с.
3. А.М. Шур. Высокомолекулярные соединения. – М.: Высшая школа, 1981656 с.
4. Башура Г.С., Оридорога В.А. Вспомогательные вещества и их роль в
создании лекарственных форм.// Технология и стандартизация лекарств:
Сб. науч. трудов. – Харьков, 1996 – С 317–411.
5. Лишвиц В.С., Зайков Г.Е. Лекарственные формы на основе
биодеструктирующихся полимеров (обзор). // Хим.- фармац. журнал. –
1991 - №1, С. 15-25.
6. Высокомолекулярные соединения в фармацевтической технологии //
Метод. Разработка для студентов. Пермь 1991 – 27 с.
7. Свойства ВМС и их растворов использование в фармацевтической
технологии //Учебно-методическая разработка для студентов, Пермь –
2000.