Синтетичні полімери, що застосовуються в медицині та фармації

План

Тема: Значення ВМС у медицині та фармації. Значення набрякання у фізіології організму. Тиксотропія, Синерезис. Висолювання біополімерів з розчинів. Коацервація та її роль у біологічних системах. Амфотерність білків. Методи визначення ІЕТ білка.

Позааудиторна самостійна робота № 14

ІІІ рівень

ІІ рівень

І рівень

Методичні рекомендації

1. При розгляді першого питання звернути увагу на професійні хвороби, які зумовлюють аерозолі.

2. Розглядаючи друге питання, скласти схему, яка ілюструє способи одержання аерозолів.

3. При вивченні третього питання звернути увагу на відмінність суспензій від колоїдних розчинів.

4. При опрацюванні четвертого питання звернути увагу на методи класифікації емульсій та визначення їх типу.

5. При розгляді п’ятого питання скласти опорний конспект, у якому схематично відобразити способи одержання емульсій та їх значення.

Запитання для самоперевірки:

1.Як класифікують аерозолі за агрегатним станом дисперсної фази? Що таке смог?

2. Які переваги аерозольної лікарської форми?

3. Наведіть класифікацію емульсій. Чим відрізняються розбавлені емульсії від концентрованих і висококонцентрованих?

4. Як класифікують емульгатори?

5. Як визначити тип емульсії?

Тести для самоконтролю

1. Яке із захворювань спричиняється потраплянням у легені пилу у вигляді аерозолю?

а) пневмонія; б) пневмоконіоз; в) пневмоторакс; г) ексудативний плеврит.

2. Пилом називають аерозолі, розмір частинок яких дорівнює:

а)10^-9 – 10^{-5 м; б) більше за 10-5 м; в) менше за 10-5 м.}

3. Який метод одержання аерозолів належить до конденсаційних:

а) пневморозпилення; б) хемоконденсація; в) ультразвукове розпилення.

4. Пастами називають …

а) висококонцентровані суспензії; б) низькоконцентровані суспензії; в) висококонцентровані емульсії.

5. Якщо концентрація ДФ у емульсії становить 0,1 – 74%, то вона належить до …

а) розбавлених; б) концентрованих; в) висококонцентрованих.

6. До емульсій належать:

а) вершки; б) розчин натрій хлориду; в) вугільний пил; г) яєчний жовток.

7. Для визначення типу емульсій використовують:

а) кондуктометричних метод; б) метод розбавлення; в) метод титрування.

1.Значення ВМС у медицині і фармації. Процес розчинення ВМС. Набрякання полімерів та його стадії.

2. Значення явища набрякання в медицині.

3.Тиксотропія та синерезис. Висолювання біополі мерів з розчинів.

4. Коацервація та її роль у біосистемах.

5.Поняття про ізоелектричну точку білка та методи її визначення.

Час виконання: 2 години.

Мета роботи: розглянути значення ВМС у медицині та фармації; розглянути процес розчинення полімерів та роль явища набрякання в медицині; уяснити суть процесів тиксотропії, синерезису, коацервації та висолювання білків.

Високомолекулярними сполуками (ВМС), називають речовини складної хімічної будови з молекулярною масою порядку 10⁴ - ІО⁶ атомних одиниць маси. Структурними одиницями ВМС є макромоле­кули, що складаються з великого числа окремих груп атомів (елемен­тарних ланок), зв'язаних між собою ковалентними хімічними зв'язками.

Клітини організмів та міжклітинна речовина, що зв'язує їх між со­бою, побудовані з високомолекулярних сполук - білків, нуклеїнових кис­лот, полісахаридів та змішаних біополімерів (глікопротеїдів, ліпопротеїдів тощо). ВМС входять до складу сполучної (колаген) та м'язової (актин, міозин) тканин, виконують структурні функції (полісахариди).

Внаслідок своїх специфічних властивостей полімери, що утворю­ються під час біосинтезу в клітинах живих організмів (біополімери), ви­конують такі функції:

- каталізують біохімічні реакції (ферменти), регулюють реакції (гормони);

- зберігають та передають генетичну інформацію (дезоксирибонуклеї­нова кислота);

- є резервними поживними речовинами (крохмаль, глікоген);

- відіграють захисну роль (антигенні полімери, цукри, камеді та слиз рослин);

- виконують структурну та опорну функції (колаген, фіброїн, кератин).

З вищесказаного легко зрозуміти виключне значення ВМС у жит­тєдіяльності людини.

До високомолекулярних сполук належать майже всі живі та рос­линні матеріали, зокрема вовна, шкіра, волосся, шовк, натуральний кау­чук тощо, а також різні синтетичні матеріали - каучук, пластмаси, кап­рон, найлон та ін.

Синтетичні полімери мають велике значення у медицині та фар­мації, їх широко застосовують у стоматології; при внутрішньому та зов­нішньому протезуванні (з них виготовляють корпуси та деталі штучних шлуночків та стимуляторів серця, протези кровоносних судин, замінни­ки тканин кісток, очні лінзи); при виготовленні різних медичних інстру­ментів та пристосувань, тканинних клеїв, кровоспинних губок тощо. ВМС використовують як мембрани, які селективно пропускають окремі ком­поненти крові під час гемодіалізу.

Великих успіхів досягнуто у дослідженні фармакологічно активних полімерних речовин. До них належать ВМС, що мають властивість пролонговувати дію лікарських речовин в організмі, а також розчини полі­мерів, які застосовують як крово- та плазмозамінники (полівінілпіролідон, полівініловий спирт, декстран, желатина та ін.). Різні модифікації целюлози застосовують для виготовлення бинтів і вати з кровоспинни­ми та антимікробними властивостями. Волокна із синтетичних полімерів використовують у хірургічній практиці як шовний матеріал.

Деякі полімери - поліакрилова, поліметакрилова кислоти та ін. сприяють утворенню в організмі специфічного білка - інтерферону, який сповільнює розвиток різних вірусів і захищає клітини від мікроорганізмів.

У технології ліків синтетичні полімери застосовують як допоміжні речовини при виготовленні різних лікарських форм. Зокрема, поліетиленоксид застосовують як замінник жирових основ та вазеліну; полівініло­вий спирт - як емульгатор, закріплювач і стабілізатор суспензій (на­приклад, суспензії інсуліну), плівкоутворювач для капсул і таблеток, як основу водорозчинних мазей тощо.

Антимікробні волокна, виготовлені на основі природних полімерів (целюлози, альгінатів), або синтетичні ВМС (полівініловий спирт) ма­ють властивість затримувати ріст різних мікроорганізмів.І це далеко не повний перелік застосування ВМС у сучасній меди­цині та фармації.

Вивчення структури і фізико-хімічних властивостей ВМС необхід­не для пізнання важливих біологічних процесів. Установлення будови складних структурних утворень життя і узагальнення їх властивостей можливе лише через використання сучасних досконалих фізико-хімічних методів дослідження.

Таблиця 5.

Процес розчинення ВМС. Процес розчинення високомолекулярних сполук за механізмом сут­тєво відрізняється від розчинення низькомолекулярних речовин. Особ­ливість розчинення ВМС полягає в тому, що розчин утворюється з час­тинок різних розмірів - макромолекул полімеру (10^-7—10^-9м) і молекул низькомолекулярного розчинника (10^-10м). Утворення розчинів ВМС розглядають як процес змішування двох рідин, коли полімер можна роз­глядати як переохолоджену рідину.

Набрякання полімерів. Початковим етапом розчинення поліме­ру є набрякання. Набрякання - це самочинний процес вбирання високомолекулярною речовиною великих кількостей низькомолекуляр­ної рідини, що супроводжується значним збільшенням об'єму та маси полімеру.

На відміну від розчинення низькомолекулярних речовин, коли відбу­вається дифузія розчиненої речовини у розчинник, у процесі розчинення ВМС спостерігається, в основному, одностороння дифузія молекул роз­чинника у полімер. Цьому сприяють два чинники: велика швидкість дифузії малих за розміром молекул розчинника і нещільне упакування гнучких ланцюгових макромолекул полімеру.

Розрізняють дві стадії набрякання. На першій стадії невелика кількість молекул розчинника дифундує у ВМС, він заповнює проміжки між макроланцюгами і сольватує певні групи полімеру. Стадія сольва­тації супроводжується виділенням теплоти ( Н < 0), яку називають теп­лотою набрякання. Вимірюванням теплоти набрякання було доказано, що сольватний шар є мономолекулярним. У цьому шарі молекули роз­чинника розташовані компактно, що призводить до ущільнення системи в цілому, тобто до внутрішнього стиснення. Це виявляється у контракції -зменшенні об'єму системи в цілому (сума об'ємів полімеру до набря­кання і поглинутої рідини є більшою за об'єм одержаної системи).

Таким чином, на першій стадії взаємодії ВМС з розчинником утво­рюється гетерогенна система, яка складається з дещо сольватованого полімеру і низькомолекулярного розчинника (рис.18, б). Друга стадія набрякання, яка не супроводжується виділенням теплоти, характеризується значним збільшенням маси і об'єму поліме­ру внаслідок осмотичного всмоктування великої кількості розчинника. При цьому слабшають зв'язки між окремими макромолекулами, збільшується число їх можливих конформацій і відбувається змішуван­ня деякої кількості великих і гнучких макромолекул із молекулами роз­чинника. При цьо­му система є двофазною і складається з набряклого полімеру і розчину полімеру у низькомолекулярній рідині (рис.18, в і г).

Якщо для полімеру характерне обмежене набрякання, то процес розчинення закінчується однією із стадій набрякання і веде до утворення

еластичних драглів. Це спостерігається тоді, коли між полімерними ланцю­гами діють сильні міжмолекулярні місточкові зв'язки і енергії сольватації недостатньо для їх розриву. Обмежене набрякання характерне для вулка­нізованого каучуку в бензені і желатини у воді кімнатної температури.

Якщо для розриву міжмолекулярних зв'язків необхідна робота, менша за енергію сольватації, то набрякання буде необмеженим, тоб­то самочинно закінчуватиметься повним розчиненням полімеру з утво­ренням однофазної системи (рис. 18, д). Так набрякають альбуміни, желатина у гарячій воді, сирий каучук у бензені, нітроцелюлоза в аце­тоні, целюлоза в купрум-амонійному розчині (реактиві Швейцера).

За зміни зовнішніх умов обмежене набрякання може перейти у необ­межене і навпаки. Проте, якщо полімер має сітчасту структуру, утворе­ну хімічними зв'язками, то навіть за високих температур (нижчих за температуру розкладання полімеру) не можна відділити ланцюги один від одного. Тому сітчасті полімери, до яких належить гума, можуть на­брякати лише обмежено.

У цілому процес розчинення ілюструє рис. 18

Рис.18. Стадії розчинення полімеру в низькомолекулярному розчиннику:

а - система полімер - розчинник до набрякання; б - перша стадія набрякання;

в, г - друга стадія набрякання з частковим розчиненням полімеру;

д - стадія повного розчинення

Тиск набрякання. Одним із проявів набрякання є збільшення об'єму полімеру. Якщо вихідну масу полімеру вмістити у щільно за­криту посудину із поруватим дном, то під час дифузії розчинника всередину полімеру (подібно до дифузії в осмотичну комірку) за умов збере­ження сталого об'єму виникатиме тиск - тиск набрякання. Він анало­гічний до осмотичного тиску розчинника в осмотичній комірці. Тиск на­брякання особливо великий при вбиранні полімером перших порцій роз­чинника (3-5 % маси), потім він зменшується, а при досягненні рівнова­ги між полімером і розчинником падає до нуля. Іноді тиск набрякання досягає десятків і навіть сотень мегапаскалів: при проростанні насіння тиск набрякання розриває міцні оболонки; коріння дерев руйнує гірські породи тощо. Особливо великий тиск створюється при набряканні змо­ченого гороху, бобів, зерна, що може стати причиною розривання посу­дини, в якій зберігаються ці харчові продукти.

Тиск набрякання можна обчислити за емпіричним рівнянням Позняка:

р =kCⁿ

де к і п - константи, які залежать від природи полімеру і розчинника; С - концентрація сухого полімеру в 1 м³ системи, що утворилась при набряканні.

Ступінь і швидкість набрякання. Кількісними характеристи­ками процесу набрякання є ступінь і швидкість набрякання.

Ступінь набрякання (а) виражають масою або об'ємом ріди­ни, що вбирається одиницею маси або об'єму полімеру і обчислю­ють за формулами:

а = = , або а = =

де т_о і V_о - маса або об'єм зразка полімеру до набрякання; т і V- маса або об'єм набряклого полімеру; т_p і V_p - маса чи об'єм розчинника, який поглинув досліджуваний зразок полімеру.

Чинники набрякання. Здатність полімерів до набрякання зумов­люють такі чинники:

1. Природа полімеру та розчинника. Набрякання і розчинення полімерів залежить від хімічної будови їх ланцюгів і молекул розчинни­ка. Якщо ланки полімерних ланцюгів і молекули розчинника близькі за полярністю, то відбувається набрякання (обмежене чи необмежене). Якщо ж ланки ланцюга полімеру і молекули розчинника дуже відрізня­ються за полярністю, набрякання і розчинення ВМС не відбувається.

2. Молекулярна маса полімеру. Чим більша молекулярна маса полімеру, тим більша енергія взаємодії між ланцюгами. Тому для відок­ремлення довгих ланцюгів один від одного потрібно витратити більше енергії, ніж для розсування коротких. Із збільшенням молекулярної маси у полімергомологічному ряді здатність до розчинення в одному і тому самому розчиннику зменшується.

3. Температура Для більшості полімерів з підвищенням температу­ри ступінь набрякання збільшується, тому що при цьому посилюється рух частинок і підвищення температури сприяє розпушуванню внутрішніх струк­тур. Разом з тим зменшується ступінь граничного набрякання (рис.19.).

Рис.19. Залежність ступеня набрякання від температури

Якщо набрякання ВМС є екзотермічним процесом, то підвищення температури спричинює зменшення ступеня набрякання, що узгоджується із принципом Ле Шательє. Саме така залежність характерна для на­брякання целюлози у розчині лугу.

4. рН середовища. Вплив рН середовища на набрякання добре вивчений для білків. Детальніше цей матеріал буде розглянуто у ПСРС №9.

5. Електроліти. На набрякання в основному впливають аніони нейтральних солей і дуже незначно - катіони, причому одні аніони поси­люють набрякання, а інші - пригнічують його. Це пов'язано зі здат­ністю аніонів до гідратації, тобто до йон-дипольної взаємодії з розчинни­ком. За впливом на процес набрякання білків аніони розміщені в ліотропний ряд Гофмейстера:

SCN^- > I^- > Br > NO^-₃ > CI^- > CH₃COO^- > CIO₄^- > SO₄^-

посилюють не впливають зменшують

набрякання на набрякання набрякання

Аналіз цього ряду показує, що йони СІ^- займають нейтральне поло­ження і практично не впливають на ступінь набрякання. 3а наявності аніонів SCN^- і І^-, які практично не гідратуються, набрякання білків мак­симальне. Аніони СН₃СОО^- і I^- особливо SO^2-₄ є дуже гідратованими і тому зменшують процес набрякання.

6. Ступінь подрібнення. Чим більший ступінь подрібнення, тим більша поверхня стику полімеру з розчинником, завдяки чому прискорюється проникнення молекул низькомолекулярної рідини все­редину ВМС.

Значення явища набрякання у медицині. У життєдіяльності рослинних і тваринних організмів, а також людини процеси набрякання відіграють важливу роль. Наприклад, нирки виконують дві основні функції: виведення продуктів обміну (шлаків) та регулювання кількості води організмі, тобто фільтрацію та концентрування. Сполучні тканина ни­рок є регулятором водного обміну між тканинами і кров’ю. Внаслідок набрякання сполучна тканина може або вилучати з біологічних рідин надлишок води, або віддавати його тканинам і крові.

У молодому віці процеси обміну в організмі відбуваються особливо енергійно. Кількість води і ступінь набрякання колоїдів тим більші, чим молодший організм. Так, на початку внутрішньоутробного розвит­ку, коли відбувається інтенсивний поділ клітин, процеси набрякання колоїдів відбуваються настільки інтенсивно, що вміст води досягає 95 % маси плоду. У новонародженого кількість води в організмі становить вже 70-75 %, а у дорослої людини - тільки 60 %. Поступове старіння організму супроводжується зменшенням здатності колоїдів набрякання і гальмуванням процесів обміну. У похилому віці організм людини "всихається", зменшується в об'ємі, з'являються зморшки –наслідки втрати колоїдами здатності до набрякання. За деяких запальних і алергічних захворювань спостерігаються набряки легень, мозку, слизових оболонок.

Певні синтетичні ВМС здатні до обмеженого набрякання. Цю їх властивість використовують при виготовленні очних контактних лінз. При набряканні у вологому середовищі ока такі лінзи утримують певну кількість води, яка необхідна для надання їм відповідних оптичних вла­стивостей.

Білки є поліелектролітами, що містять у бічних ланцюгах амінокислот багато кислотних і основних функціональних груп. Амінокислоти у водних розчинах знаходяться у формі біполярних йонів:

Н₂N-R-СООН Н₃N⁺-R-СОО^-.

У кислому середовищі, коли внаслідок надлишку йонів Гідрогену зменшується йонізація карбоксильних груп, молекула білка веде себе як основа і набуває позитивного заряду (рис.20, а):

H₃N⁺-R-СОО^- + H⁺ Н₃ N ⁺ - R-СООН.

рН<рН_ІЕ рН=рН_ІЕТ

Дата добавления: 2015-05-23