Коллаген применение в медицине и фармации

Сибирский государственный медицинский университет

Фармацевтический  факультет

Кафедра фармацевтической технологии 
 
 
 
 

Ягнышева  Наталья Андреевна 

Коллаген  применение в медицине и фармации 

Курсовая  работа 
 
 

                                                                       Студент IV курса

_______________ Н.А. Ягнышева

Преподаватель, доцент

_______________ Л.С. Белова 
 
 
 
 
 
 

Томск – 2006

Содержание

Содержание  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

1. Коллаген, его структура и свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1. Структура  коллагена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  4

1.2.Свойства  коллагена, позволяющие использовать  его как биоматериал. . . . . . . . . .5

2. Перспективы  использования коллагена в технологии  лекарственных форм. . . . . . . . . . . 6

3. Технология  лекарственных форм на основе  коллагена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.1. Дерматологические и глазные лекарственные пленки на основе коллагена. . . . . .7 

3.2. Коллагеновые  губки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . .9

3.3. Порошки  коллагена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.4. Мази  на основе коллагена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

3.5. Свечи  на основе коллагена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . .. . . . . .11

3.6.Раствор  тримекаина для инъекций, пролонгированный  коллагеном. . . . . . . . . . . 12

4. Стерилизация  лекарственных форм на основе  коллагена. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

4.1. Влияние γ-стерилизации на стабильность коллагеновых пленок с метилурацилом и гентамицина сульфатом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.2. Стерилизация  мазей и растворов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

5. Применение  коллагена в медицине . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Список  литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ

     Коллаген, является главным компонентом соединительной ткани и составляет более 30% общей массы белков организма.

     На  протяжении более сорока лет этот белок является предметом пристального внимания ученых различных специальностей (биохимиков, морфологов, физиологов и клиницистов), что объясняется его важной ролью в обеспечении процессов жизнедеятельности и патологии соединительной ткани [4].

     Коллаген  обладает высокоупорядоченной структурой, химической и термической стабильностью, может быть выделен в виде растворов или нерастворимых волокон. При исследовании коллагена могут быть применены различные методы изучения твердых биологических и синтетических полимеров, а также растворимых биополимеров. Гигантская величина макромолекул коллагена (молекулярная масса его 300 000) дает возможность непосредственно наблюдать их в электронном микроскопе. Все это делает коллаген удобной моделью для изучения общих закономерностей структуры белков и других биополимеров.

     Большое практическое значение имеет технологический аспект изучения коллагена. С помощью синтетических материалов не удалось решить сложных проблем восстановительной хирургии: даже относительно инертные полимеры, оставаясь постоянным инородным телом в организме, поддерживали хроническую воспалительную реакцию, меняли свои физические свойства. Длительное функционирование синтетических протезов часто оказывалось невозможным.

     Наиболее  перспективным в отношении материала  для изготовления протезов который, выполняя функцию временного направляющего каркаса для регенерации, замещался бы постепенно собственными тканями организма, явился биополимер коллаген, сочетающий положительные качества синтетических полимеров и тканевых трансплантатов, но лишенный при этом ряда их отрицательных сторон [1,3].

     Основными достоинствами коллагена как  нового пластического материала явилось отсутствие токсических и канцерогенных свойств, слабая антигенность, высокая механическая прочность и устойчивость к тканевым ферментам, регулируемая скорость лизиса в организме, способность образовывать комплексы с биологически активными веществами (гепарином, хондроитинсульфатом, антибиотиками и др.), стимуляция регенерации собственных тканей организма [1,2,4].

     Появление методов полного растворения  коллагена позволило получать растворы в неограниченном количестве из любого коллагенсодержащеого сырья. Это значительно расширило возможности широкого применения коллагена в различных областях медицины, так как из раствора можно получить волокна, аналогичные коллагеновым волокнам соединительной ткани, а также пленки, губки, нити, трубы и другие материалы и изделия. Все это позволило широко, использовать коллаген в пластической хирургии в качестве шовного материала для лечения ран, ожогов, трофических язв и т. д. [3]

     В настоящее время имеются уже многочисленные сообщения об использовании коллагена и его производных для пластики сосудов и клапанов, трахеи, мочевого пузыря, закрытия дефектов кожи ожоговой или травматической этиологии, дефектов кости, твердой мозговой оболочки, роговицы, барабанной перепонки, печени и селезенки, в качестве шовного рассасывающегося материала, а также в виде гемостатических средств и тампонов для заполнения костных полостей, мембран для диализа и др. [1].

     Применение  коллагена в технологии лекарственных  форм ограничено до настоящего времени  в связи с тем, что после  щелочно-солевой обработки коллаген приобретает способность набухать и растворяться в кислотах, щелочах, буферных растворителях, но не в воде.

     С 1974 г. на кафедре технологии лекарственных  форм I ММИ им. И. М. Сеченова проводятся исследования по технологии лекарственных форм на основе коллагена, в результате которых разработаны два направления, позволяющие наряду с пленками и губками получить мази, свечи, растворы для инъекций, пролонгированные коллагеном, и другие лекарственные формы [1].

     1. Коллаген, его структура  и свойства 

     1.1. Структура коллагена

     Коллаген  относится к классу белков, именуемых  склеропротеинами. Особенностью белков данного класса является их    филогенетическое родство у разных видов животных и человека.

     Сам термин "коллаген" является собирательным. Им обозначают как специфические мономерные белковые молекулы, так и агрегаты этих молекул, образующие во внеклеточном матриксе соединительной ткани фибриллярные структуры [4].                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

     Первичная структура. Аминокислотный состав коллагена высокоспецифичен и резко отличается от аминокислотного состава других белков. Полипептидная цепь молекулы коллагена состоит из 19 аминокислот. Характерно, что каждая третья аминокислота в его молекуле является глицином: в составе коллагена имеются аминокислоты, не встречающиеся в других белках (оксипролин и оксилизин). Их содержание составляет 23 % всего аминокислотного состава. В коллагене отсутствуют триптофан, цистин и крайне низкое содержание тирозина и метионина. [1,4]

     Вторичная структура. Важным этапом в изучении строения коллагена стала расшифровка первичной структуры его отдельных пептидных цепей, называемых ά-цепями. Молекулярная масса ά-цепи, содержащей 1050 аминокислотных остатков, составляет примерно 95 килодальтон, а всей молекулы - около 300 килодальтон, при этом длина макромолекулы составляет 280 нм, диаметр-1,4 нм. Было установлено, что концевые участки ά-цепей на N- и С- концах молекулы (телопептиды) имеют отличный от основной части аминокислотный состав: не содержат пролина и оксипролина, не имеют глицина в каждой третьей позиции и поэтому не принимают участия в образовании тройной спирали. Однако именно они играют важную роль в механизме полимеризации молекул, формировании межмолекулярных поперечных связей, а также антигенных свойств коллагена. [1,4]

     Третичная структура. Общепринятым считается представление о молекуле коллагена, как о трехспиральной спирали [1,2]: три отдельные полипептидные цепи, свернутые в левовинтовую спираль, переплетаются в одну правовинтовую суперспираль (трехспиральная спираль). Тройную спираль молекулы коллагена стабилизируют водородные связи, имеющие межспиралбный характер. Кроме того, она стабилизирована комплексом электростатических и гидрофобных связей, что подтверждается расшифровкой структуры отдельных цепей. Эта структурная модель молекулы, предложенная A.Rich и F.H.Crick (1961) с некоторыми видоизменениями, в настоящее время общепринята. Сложная трехспиральная молекула упорядочена таким образом, что свободные боковые цепи глицина каждой полипептидной цепи находятся внутри общей спирали, а кольца пролина, оксипролина, и боковые группы аминокислот выступают наружу [1].

     В соединительной ткани молекулы коллагена  за счет межмолекулярных поперечных связей объединяются в фибриллы и  волокна, образуя сложную морфологическую структуру.

     1.2. Свойства коллагена,  позволяющие использовать  его как биоматериал

     1. Физико-механические – высокая  прочность на разрыв, низкая растяжимость, ориентация волокон;

     |2. Физико-химические – контролируемое поперечное соединение дубящими веществами, влияние на растяжимость, набухание, резорбцию; функции ионообменника: полупроницаемость мембран;

     3. Биологические – низкая антигенность, стимуляция репарации, гемостатический эффект [4]. 

     2. Перспективы использования  коллагена в технологии лекарственных форм

     Коллаген  используется в основном в форме пленок, губок, волокнистой массы, которые получают из уксуснокислых растворов коллагена после лиофилыюй сушки (губки), дегидратации ацетоном и воздушной сушки (пористые структуры, пленки).

     Применение  коллагена в фармацевтической промышленности в технологии таких лекарственных  форм, как мази, растворы, свечи, ограничено вследствие того, что после щелочно-солевой  обработки он растворяется и набухает в кислотах, щелочах, буферных растворителях, но лишь незначительно в воде. Введение дополнительных компонентов, особенно таких, как кислоты и щелочи, может влиять на биологическую доступность лекарственных веществ, их химическую и биологическую совместимость, терапевтическую активность.

     Получение порошка коллагена методом низкотемпературного механического диспергирования открывает широкие возможности для применения коллагена в технологии лекарственных форм.

     Способность порошка коллагена, полученного  методом низкотемпературного измельчения, набухать в воде с образованием геля объясняется появлением новых полярных групп и звеньев, уменьшением длины цепей в результате механодеструкции коллагена и снижением молекулярной массы коллагена.

     В процессе измельчения происходит также  нарушение водородных, гидрофобных и электростатических взаимодействий внутри тройной спирали макромолекулы. В результате изменения конформации макромолекулы приобретают гибкость и способность свертываться, что приводит к повышению растворимости и степени набухания коллагена.

     Порошок коллагена может быть использован  как самостоятельная лекарственная  форма или в смеси с другими  лекарственными веществами дня лечения ран, язв, ожогов, а также в качестве гемостатического средства и др.

     Вследствие  увеличения способности к набуханию в воде порошок коллагена может применяться не только как основа для мазей и свечей, но и в качестве эмульгатора и стабилизатора суспензий и эмульсий, как пролонгатор в глазных каплях и растворах для инъекций.

       Сыпучесть (0,58 г/с) и слипаемость (0,2 г/см) позволяют использовать порошок коллагена как наполнитель для таблеток.

     Вторым  направлением в создании лекарственных  форм на основе коллагена является использование его способности  набухать в растворах некоторых  веществ, являющихся фармакологическими средствами, в частности в растворе витамина U. В 5 % водном растворе витамина U в зависимости от концентрации коллагена образуются однородные гелеобразные массы различной вязкости. В 1 % растворе коллагена сохраняется жидкая консистенция, 3 % концентрация обеспечивает образование геля, характерного для консистенции мазей, 15—20 % коллаген образует упругую пластичную массу, которая может использоваться в технологии свечей.

     Более рациональное применение лекарственных  веществ неразрывно связано с  пролонгированием их действия. Использование лекарственных веществ в иммобилизованном виде позволит сократить их общую дозу, увеличить время пребывания в организме и ослабить нежелательные побочные действия. Применение пролонгированных лекарственных препаратов особенно важно для больных, которым показано длительное и непрерывное лечение, в том числе в амбулаторных условиях. Оно обеспечивает введение в организм больного необходимого для создания терапевтической концентрации количества лекарственного вещества на определенное время, уменьшает занятость медицинского персонала и повышает экономический эффект,

     Кроме экономического эффекта, снижение концентрации лекарственных веществ при сохранении их терапевтического действия уменьшает их побочное действие (в частности, дня гентамицина сульфата - нефро-и нейротоксичность). [1]

     3. Технология лекарственных  форм на основе  коллагена

     3.1. Дерматологические  и глазные лекарственные  пленки на основе  коллагена

     Чаще  всего коллаген используется в производстве пленок, губок, волокнистых материалов.

     Пленки  получают путем сушки на воздухе  тонкого слоя растворов коллагена, имеющих определенное значение рН., как с лекарственными веществами, так и без них.

     Для получения пленок используют 2 % уксуснокислый  раствор коллагена. Раствор коллагена в уксусной кислоте получают по схеме. Коллаген для более быстрого растворения измельчают в мясорубке, заливают 3 % раствором уксусной кислоты и растворяют при постоянном перемешивании до образования концентрированного раствора, представляющего собой вязкую гелеобразную массу (1 кг коллагена растворяют приблизительно в 3 л 3 % уксусной кислоты). Применение уксусной кислоты целесообразно потому, что она является одним из лучших растворителей коллагена, а ее бактерицидные свойства в данной концентрации обеспечивают длительное хранение полученных растворов белка. Для удаления нерастворимых примесей и одновременной гомогенизации раствор коллагена продавливают через капроновую ткань с отверстиями размером 0,1—0,2 мм.

     Уксуснокислый раствор коллагена стандартизуют по показателям:

     1. Концентрация коллагена (определяют  по биуретовой реакции), она должна находиться в пределах 0,9—1,1 %, так как наиболее удобна в технологии пленок. Полученный раствор легко растекается по поверхности кюветы, что позволяет получить пленки одинаковой толщины по всей площади;

     2. Кислотность (определяют методом  нейтрализации) должна быть 0,1—0,15н.;

     3. Относительная вязкость должна  быть не менее 4.

     При необходимости в раствор коллагена  добавляют дистиллированную воду или уксусную кислоту для получения заданной концентрации белка или кислотности раствора.

     Стандартный 1 % раствор коллагена используют для введения лекарственных веществ и получения пленок. Для увеличения сроков рассасывания на ране пленку дубят формалином или другими дубителями, а для придания эластичности в качестве пластификатора используют глицерин.

     В 1975 г. сотрудниками кафедры аптечной технологии лекарственных форм и  отдела по изучению и применению коллагена  в медицине разработан состав и технология дерматологической пленки с метилурацилом. Из числа противовоспалительных средств выбран метилурацил — производное пиримидина.

     Метилурацил наряду с ослаблением экссудативных  и альтернативных проявлений воспалительного  процесса ускоряет регенерацию тканей, заживление рай, ожогов и др. Метилурацил используют местно в виде аппликаций, так как он не оказывает раздражающего действия.

     Учитывая  высокую эффективность лечения  метилурацилом разнообразных повреждений кожи и слизистых оболочек, целесообразно комбинирование метилурацила со стимуляторами регенерации, имеющими другой механизм действия, а именно с биополимером - коллагеном.

     Технология  раствора коллагена  с метилурацилом. рассчитанное количество метилурацила,     смешанное с минимальным объемом воды, вводят при постоянном перемешивании в 1 % раствор коллагена. Концентрацию метилурацила выражают в процентах ох сухого остатка коллагена

     Пленки  с успехом используются для лечения  пролежней, трофических язв нижних конечностей, скальпированных ран кожи.

     В 1979 г. на кафедре технологии лекарственных форм I ММИ им. И. М. Сеченова совместно с сотрудниками Тбилисского института усовершенствования врачей разработаны интраокулярные пленки с гентамицина сульфатом и глазные пленки "Гентрикол", содержащие гетамицина сульфат и тримекаин.

     Необходимость в изготовлении глазных пленок пролонгированного  действия вызвана тем, что имеется  трудность в проникновении значительной части лекарственных веществ  в глаз, обусловленная рядом причин таких как, наличие гематоофтальмического барьера, сложность в достижении необходимой постоянной концентрации в глазном яблоке при введении лекарственного препарата в виде инъекций, инсталляций или перорально.

     Интраокулярная  пленка вводится в глазное яблоко и размещается в предусмотренном планом операции месте при хирургической обработке ранений переднего отдела глаза, плановых полостных операциях на глазном яблоке, реконструктивно-восстановительных операциях, хирургическом лечении эндофтальмитов.

     Глазные пленки "Гентрикол", содержащие гентамицина сульфат в комбинации с тримекаином, предназначены для покрытия переднего отдела глаза при поверхностной и проникающей травме роговицы, склеры, ожогах. Они предотвращают возможность вторичного инфицирования при транспортировке больного в специализированный травматологический центр, а также могут применяться при заболеваниях роговицы разной этиологии.

     Пленки  получают методом свободного испарения  растворителя. В кюветы с гидрофобной поверхностью выливают приготовленный раствор коллагена с введенными лекарственными веществами (толщина слоя 5-7 мм) и оставляют для высушивания. Сушку проводят при температуре 25—30 °С (до образования пленок толщиной 0,04—0,05 мм с остаточной влажностью 10-15 %). Сухие пленки снимают с поверхности кювет, разрезают, упаковывают в полиэтиленовые пакеты и стерилизуют γ-облучением в дозе 25 000 Гр [1].

     3.2. Коллагеновые губки

     Другой  лекарственной формой на основе коллагена  являются пористые губки, которые получают методом лиофильной сушки растворов  коллагена. Для этого замораживают раствор коллагена, затем его обезвоживают органическим растворителем и лиофильной сушкой.

     Предварительно  приготовленный раствор коллагена  с введенными лекарственными веществами разливают в специальные кюветы из нержавеющей стали или алюминия (толщина слоя 8—10 мм) и оставляют в покое для равномерного растекания на 20-30 мин. Кюветы переносят в морозильный шкаф и проводят замораживание при температуре от —30 до -40 °С. Затем их помещают в предварительно охлажденную до -40 °С камеру установки для лиофилизации. Начальный период сушки характеризуется понижением давления в аппарате до 13,3322-66,6610 Н/м², температурой от -30 до -40 °С. Через 1 ч после включения вакуумного насоса и понижения температуры в конденсаторе до —70  С для интенсификации  процесса сублимации льда обеспечивают постепенный подогрев полок аппарата. В течение всего периода сушки температура не превышает —50 °С. Продолжительность процесса 16—18 ч.

     Сухие губки разрезают на куски, упаковывают  в полиэтиленовые пакеты и стерилизуют  γ-облучением в дозе 20 000 — 25 000 Гр.

     Губки находят широкое применение в  пластической хирургии в качестве гемостатического материала, при лечении ожогов, пульпитов, пролежней. Губки, будучи пористыми структурами, имеют преимущество перед пленками, так как впитывают большое количество жидкости и могут применяться при лечении ран с обильным отделяемым, а также обладают высокими гемостатическими свойствами, обусловленными наличием большой поверхности волокон коллагена. Коллагеновые губки, дубленые формальдегидом, являются превосходным гемостатическим средством при проникающих ранениях и резекциях печени. Еще одним положительным качеством пористых губок является их эластичность; она способствует равномерному сдавлению конечностей при бинтовании, усиливая лечебный эффект. В состав губок вводят рибофлавин, фурацилин, борную кислоту, хонсурид, синтетические полимеры — метакрилаты и др. [1,4]

     3.3. Порошки коллагена 

     Коллаген, полученный методом щелочно-солевой  обработки спилока, приобретает  способность растворяться и набухать в кислотах, щелочах, буферных растворителях. В технологии лекарственных форм часто нецелесообразно введение дополнительных компонентов, изменяющих рН (кислоты, щелочи), которые могут также оказывать влияние на биологическую доступность лекарственных веществ, их совместимость.

     В связи с этим получение порошкообразного коллагена, способного набухать или  растворяться в воде, представляется весьма перспективным для фармацевтической практики. Порошок коллагена или  его смеси с лекарственными веществами могут являться самостоятельной лекарственной формой и использоваться в технологии других лекарств, в частности таблеток и мазей. В то же время механическое диспергирование коллагена, используемое в производстве порошка, может преследовать различные цели:

     1) измельчение для удобства транспортировки,  облегчения растворения, смешивания;

     2) изменение свойств в заданном  направлении. 

     В частности, при измельчении коллагена облегчается проявление его способности набухать в воде, что необходимо в производстве таких лекарственных форм, как мази и свечи.

     В технологии лекарственных форм порошкообразные продукты получают различными методами, наиболее приемлемыми способами для измельчения коллагена являются: метод механического диспергирования сухого твердого материала при комнатной температуре, метод низкотемпературного механического диспергирования и лиофильная сушка распылением растворов.

     3.4..Мази  на основе коллагена.

     При приготовлении основ для мазей  используют диспергированный порошок  коллагена, полученный методом низкотемпературного измельчения, в концентрациях от 2 до 5 %. При более высокой концентрации получают плотную густую массу,  которую целесообразно применять как основу для свечей.

     Технология  основ для мазей. Порошок коллагена насыпают тонким слоем на поверхность дистиллированной  воды (¹/₂ рассчитанного объема) и оставляют для набухания на 20-30 мин. Оставшуюся воду добавляют частями к набухшему коллагену при постоянном перемешивании при помощи электронной мешалки до образования однородного геля. Массу оставляют на сутки до полного загустевания.

     Важны реологические свойства, в частности  вязкость. От показателя вязкости зависит  сохранение однородности распределения  лекарственных веществ в объеме всей массы мази, а, следовательно, точность ее дозировки, удобство при нанесении мази на кожу и слизистые оболочки. Значительное влияние оказывает вязкость и прочность основ для мазей на диффузию лекарственных веществ в кожу и слизистые оболочки. Всасывание идет быстрее из мягких, легко наносимых на кожу мазей, чем из паст с высокими показателями вязкости и прочности.