Назначение и методы микрокапсулирования
Микрокапсулы - мельчайшие частицы твердого, жидкого или газообразного вещества, покрытые оболочкой из полимерного или другого подходящего материала.
Микрокапсулирование – процесс заключения в оболочку микроскопических частиц твердых, жидких или газообразных лекарственных веществ. Размер заключенных в микрокапсулу частиц может колебаться в широких пределах: от 1 до 6500 мкм, т. е. до размера мелких гранул или капсул (6,5 мм). Наиболее широкое применение в медицине нашли микрокапсулы размером от 100 до 500 мкм. Современная технология дает возможность наносить покрытия на частицы размером менее 1 мкм. Такие частицы с оболочками называют нанокапсулами, а процесс их производства - нанокапсулированием.
В фармацевтической технологии микрокапсулирование стало применяться с конца 50-х - начала 60-х годов; в химической, полиграфической, косметической и других областях промышленности - несколько раньше.
Возможности микрокапсулирования:
а) предохранение неустойчивых лекарственных препаратов от воздействия внешней среды (витамины, антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки и др.)
б) маскировка вкуса лекарств
в) высвобождение
лекарственных веществ в нужном
участке желудочно-кишечного
г) пролонгирование действие. Смесь микрокапсул, отличающихся размером, толщиной и природой оболочки, помещенная в одну капсулу, обеспечивает поддержание определенного уровня лекарства в организме и эффективное терапевтическое действие в течение длительного времени.
д) совмещение в одном вместилище несовместимых между собой в чистом виде лекарств (использование разделительных покрытий)
е) «превращение»
жидкостей и газов в
Основные типы микрокапсул.
Микрокапсулы жидких и газообразных продуктов имеют сферическую форму. Форма продуктов с твердым содержимым обычно овальная или неправильная геометрическая и повторяет очертания капсулируемого вещества, поскольку пленка тонкая и фиксирует все неровности частичек. Содержание лекарственных веществ может варьировать в пределах от 15 до 99% массы микрокапсул.
Рис.1. Типы микрокапсул.
а – микрокапсула с одной оболочкой
б – микрокапсула с двойной оболочкой
в – капсула в капсуле с различным содержимым в оболочках
г – дисперсия (эмульсия) в микрокапсуле или микрокапсулы в жидкой среде в общей оболочке.
Если материал оболочек по каким-либо причинам не может быть нанесен непосредственно на основное вещество, производят промежуточное микрокапсулирование этого вещества удобным методом в другой материал. Образующаяся оболочка имеет двухслойную или многослойную структуру. При необходимости заключения несовместимых веществ в общую оболочку возможно изготовление «капсул в капсуле», когда внутри наружной оболочки в среде одного из веществ помещена одна или несколько микрокапсул другого вещества. Дополнительные компоненты можно также вводить непосредственно в материал оболочек. Например, катализатор полимеризации капсулируемого мономера может быть нанесен на наружную часть оболочки капсулы с мономером в процессе отверждения оболочки.
Виды оболочек микрокапсул.
Направленное действие и регулируемая скорость выделения лекарственного вещества достигается нанесением оболочек, которым в зависимости от назначения, физико-химических показателей капсулируемого вещества можно придать необходимые свойства. Оболочка микрокапсул может быть одно- или многослойной (толщина от долей мкм до нескольких десятков мкм), а в зависимости от свойств образующего ее вещества – эластичной или жесткой.
В качестве материалов для оболочек, хорошо прилипающих к капсулированному веществу, обеспечивающих герметичность, эластичность, определенную проницаемость, прочность и стабильность при хранении, используют большое количество натуральных и синтетических полимеров. Это водорастворимые соединения: белки (желатин, альбумин, казеин), гуммиарабик, крахмал, ПВП, КМЦ, спирт поливиниловый. Из водонерастворимых соединений используют каучук, силиконы, производные целлюлозы (метил-, этил-, ацетил-, нитроцеллюлоза), полиэтилен, полипропилен, полиметакрилат, полиамид. Применяют также природные смолы (камеди, шеллак), воски и липиды: парафин, спермацет, воск пчелиный, кислота стеариновая, кислота пальмитиновая. Из спиртов используют цетииловый, стеариловый, лауриловый. Применяют также и энтеросолюбильные соединения: шеллак, зеин, ацетофталат-, ацетобутират-, ацетосукцинат целлюлозы. Выбор материала оболочек зависит от назначения, свойств и способа высвобождения капсулируемого вещества, а также от выбранного метода микрокапсулирования.
Технология
В зависимости от целей, технологических возможностей, свойств капсулируемых веществ и полимерных материалов выбирают метод микрокапсулирования.
Существующие методы микрокапсулирования:
- физические;
- физико-химические;
- химические.
Физические методы.
Физические методы микрокапсулирования многочисленны. К ним относятся методы дражирования, распыления, напыления в псевдоожиженном слое, диспергирования несмешивающихся жидкостях, экструзионные методы, электростатический метод и др. Суть всех этих методов заключается в механическом нанесении оболочки на твердые или жидкие частицы лекарственных веществ. Использование того или иного метода находится в зависимости от того, является ли «ядро» (содержимое микрокапсулы) твердым или жидким веществом.
Метод дражирования. Наиболее простой метод. Применим для микрокапсулирования твердых лекарственных веществ. Последние в виде однородной кристаллической массы во вращающемся дражировочном котле опрыскиваются из форсунки раствором пленкообразователя. Образующиеся пленки высыхают нагретым воздухом, подаваемым в котел. Толщина оболочки микрокапсул зависит от природы и концентрации пленкообразователя, скорости пульсации раствора и температуры. Полученный продукт называется микродраже.
Метод распыления. Применяется обычно для микрокапсулирования твердых веществ, которые перед этим должны быть переведены в состояние тонких суспензий. При получении таких микрокапсул, обычно имеющих жировую оболочку, ядра суспендируются в растворе или расплаве жировых веществ (воск, цетиловый спирт, моно – или дистеарат глицерина и др.) с последующим распылением и сушкой суспензии в распылительной сушилке. При этом частицы лекарственного вещества покрываются жидкими оболочками, которые затвердевают в результате испарения растворителя или охлаждения. Получаемые сухие микрокапсулы имеют размер 30 – 50 мкм.
Методы диспергирования в несмешивающихся жидкостях. Применим для капсулирования как твердых, так и жидких веществ. В частности, капельный способ, применяемый для получения мягких капсул, может быть использован и для микрокапсул. Для этого скорость потока струи воды в наружной трубе должна быть настолько велика (например, 4,73 л/мин) по сравнению со скоростью движения жидкого лекарственного вещества и расплавленного пленкообразователя (например, 30 мл/мин), чтобы поток воды отрывал капельки требуемого размера.
Обычно этот способ технологически осуществляется следующим образом. Нагретую эмульсию масляного раствора лекарственного вещества, стабилизированную желатином (эмульсия типа М/В),в виде капель или тонкой струи подают в сосуд с несмешивающейся жидкостью (охлажденным жидким парафином), диспергируют с помощью мешалки на мелкие капельки. В результате охлаждения мельчайшие капельки покрываются быстро застудневающей желатиновой оболочкой. Застывшие шарики отделяют от жидкого парафина, промывают органическим растворителем и сушат. Размер микрокапсул, получаемых таким способом, обычно колеблется в пределах 100 – 150 мкм.
Метод напыления в псевдоожиженном слое. Этот метод применяется в аппаратах, принципиальная конструкция которых сходна с СП-30 и СГ-30, применяемых в таблеточном производстве или гранулировании.
Наиболее просто процесс напыления
протекает при микрокапсулирова
Рис.2. Принцип работы системы для получения микрокапсул методом напыления в псевдоожиженном слое.
В случае микрокапсулирования жидких лекарственных веществ последние эмульгируют (если они нерастворимы в воде) или растворяют (если они водорастворимы) при нагревании в водном растворе пленкообразователя (например, желатин) (1) и (2). Нагретую эмульсию (раствор) разбрызгивают с помощъю форсунки (4) и распыляют в камеру (6) под действием сжатого воздуха или газа, поступившего из ресивера (5). В нижней части камеры находится псевдоожиженный слой, который создается потоком воздуха, подаваемого под решетку (9), с гидрофобизированным крахмалом. Отработанный воздух из камеры отводится через патрубок (7). Капельки, представляющие собой жидкие микрокапсулы, попадая в эту систему, покрываются мельчайшими частицами крахмала, прилипающими к желатиновой оболочке, быстро высыхают и удаляются из камеры. В камере установлена горизонтальная мешалка с электронагревателем для более интенсивного перемешивания порошка, который подается из питающего бачка (8) насосом (9).
Полученные микрокапсулы имеют правильную сферическую форму и одинаковый размер, который зависит от вязкости и поверхностного натяжения распыляемого раствора и характеристик применяемого устройства.
Метод микрокапсулирования с помощью центрифугирования. Под воздействием центробежной силы частицы капсулируемых лекарственных веществ (твердых или жидких) проходят через пленку раствора пленкообразователя, покрываются ею, образуя микрокапсулу. В качестве пленкообразователей применяются вещества, растворы которых обладают достаточным поверхностным натяжением (желатин, натрия альгинат, поливиниловый спирт и некоторые др.) и оптимальной вязкостью. От этих параметров будет зависеть размер и форма микрокапсул.
Электростатический метод микрокапсулирования. Один из новых и оригинальных методов, разработанный в США. Предложен ряд приборов. Размер получаемых микрокапсул от 5 до 20 мкм.
Физико-химические методы.
Основным физико-химическим методом является микрокапсулирование с использованием явления коацервации.
Коацервация (от лат. сoacervare – сгребать в кучу) – образование в растворе высокомолекулярных соединений капель, обогащенных растворенным веществом.
Физико-химические методы основаны на разделении фаз, они позволяют заключить в оболочку вещество в любом агрегатном состоянии и получить микрокапсулы разными по размеру и свойствам пленок (толщина, пористость, эластичность и др.). В настоящее время процесс коацервации высокомолекулярных соединений рассматривается как образование двухфазной системы в результате расслаивания. Одна фаза представляет собой раствор высокомолекулярного вещества в растворителе, вторая-раствор растворителя в высокомолекулярном веществе. Раствор, более богатый высокомолекулярным веществом, часто выделяется в виде капелек коацервата – коацерватных капель, что связано с переходом от полного смешения к ограниченной растворимости. Коацервация из раствора сопровождается сближением, концентрированием молекул в меньшем объеме, потерей ими воды и переходом в осадок. Впоследствии оболочки капель подвергают затвердению для повышения механической прочности микрокапсул, которая осуществляется различными способами (охлаждением, испарением растворителя и др.).
В зависимости от химического состава и характера сил взаимодействия между веществами, коацервация может быть простой и сложной. Первая имеет место при взаимодействии раствора одного полимера и лекарственного (низкомолекулярного) вещества. Коацервация при взаимодействии двух полимеров называется сложной или комплексной.
Метод простой коацервации.
Простые коацерваты образуются при обезвоживании гидрофильных коллоидов, что приводит к снижению их растворимости. Процесс образования микрокапсул протекает следующим образом. Капсулируемое вещество (масло, масляные растворы витаминов, гормонов и других лекарственных препаратов) эмульгируют при нагревании 50°С в растворе желатина (пленкообразователь). Получается эмульсия М/В с возможной степенью дисперсности 2 – 5 мкм (рис. 3.а).
Рис.3. Схема микрокапсулирования методом простой коацервации.
а – дисперсия лекарственного вещества (1) в растворе полимера (2)
б – коацервация – образование в растворе фаз с низким и высоким содержанием полимера
в – «ожерелье» из микрокапелек коацервата на поверхности капли масла
г – слияние микрокапелек коацервата и образование микрокапсулы.
При постоянном перемешивании в раствор пленкообразователя (последний в данной системе является внешней средой) добавляют 20% водный раствор натрия сульфата. Дегидратирующие свойства натрия сульфата вызывают коацервацию желатина. Образуется гетерогенная жидкая система с неоднородным распределением в ней растворенного вещества (рис.3.б), состоящая из двух фаз – обогащенной и обедненной молекулами растворенного вещества (желатина). Например, в 3% растворе желатина образуются две фазы с разным содержанием желатина: в коацерватном слое 2,02%, а в остальной – равновесной жидкости 0,98%. Микрокапли коацервата при изменении какого – либо параметра дисперсной системы (температура, состав, значение рН, введение химических добавок) начинают концентрироваться вокруг капель масла, образуя вначале «ожерелье» из микрокапель коацервата (рис. 3.в). Затем микрокапли сливаются, покрывая каплю масла сплошной тонкой, пока жидкой пленкой желатина (рис. 3.г) – образуется микрокапсула.
Для застудневания оболочек микрокапсул смесь быстро выливают в емкость с холодным раствором натрия сульфата (18-20°С). Отфильтровывают микрокапсулы и промывают водой с целью удаления раствора натрия сульфата. Эта операция может быть проведена на нутч-фильтрах, рамных фильтр-прессах или с помощью центрифуг. Оболочки микрокапсул содержат 70-80% воды. Сушка микрокапсул может быть тепловая (полочные конвенктивные сушилки, аппараты с виброкипящим слоем) или она может быть осуществлена с помощью адсорбентов (силикагельные сушилки), обработкой водоотнимающими жидкостями (96% этанол) и другими способами.
Методом простой коацервации можно микрокапсулировать также твердые, водонерастворимые лекарственные вещества (сульфаниламиды, антибиотики, люминал и др.).
Метод сложной коацервации.
Сложная коацервация сопровождается
взаимодействием между
В однокомпонентных коацерватах оба полимера относятся к одной и той же группе химических соединений и частицы обоих являются амфионами (имеют равное количество положительных и отрицательных зарядов; амфотерные частицы). В этих системах положительные заряды одного амфиона притягиваются к отрицательным зарядам другого амфиона и наоборот.
В двухкомпонентных коацерватах оба полимера являются разными соединениями и несут противоположные заряды: положительные макроионы – макрокатионы или отрицательные – макроанионы. В этих системах коацерваты возникают при взаимодействии противоположно заряженных ионов.
Трехкомпонентные коацерваты образуются при смешении амфиона, макроиона (макрокатиона или макроаниона) и солевых добавок, содержащих микроионы (катионы и анионы).
Разберем на примере коацерватов, состоящих из желатина и гуммиарабика, т.е. на примере двухкомпонентной коацервации, процесс образования микрокапсул с лекарственными веществами методом сложной коацервации.
Приготавливают 10% раствор желатина (рН=8,0). В 11 % растворе гуммиарабика эмульгируют масло или масляный раствор лекарственного вещества. Обе жидкости смешивают мешалкой (температура смеси 50°С во избежание гелеобразования). Добавляют раствор едкого натра до рН смеси 6,5, при котором электрические заряды обоих полимеров становятся противоположными. Смесь разбавляют водой и 10% раствором уксусной кислоты, рН снижают приблизительно до 4,5. При этом значении рН макрокатионы желатина притягиваются к макроанионам гуммиарабика, капли коацервата обволакивают капельки капсулируемого масла и образуют оболочки. Для дубления оболочек микрокапсул добавляют 37% раствор формальдегида. После затвердения оболочек температуру смеси понижают до 10°С, а рН увеличивают до 9,0 для еще большей прочности оболочки. После этого микрокапсулы сушат и подвергают просеву для выделения фракции необходимого размера.
Рис.4. Схема микрокапсулирования с помощью сложной коацервации.
В случае микрокапсулирования водорастворимых лекарственных веществ используют выделение новой фазы в среде органического растворителя, а в качестве материала оболочки – эфиры целлюлозы, силоксановые полимеры, поливинилхлорид и некоторые другие полимеры. Например, микрокапсулирование витаминов С и В. Тонко измельченные препараты диспергируют в растворе пленкообразователя: аскорбиновую кислоту в растворе этилцеллюлозы в метилэтилкетоне или ацетилцеллюлозы в ацетоне, тиамина хлорид – в растворе ацетофталата целлюлозы в смеси ацетона и гексана. При медленном добавлении в эти системы высокомолекулярного осадителя (полисилоксановая жидкость) выделяется новая дисперсная фаза, которая в виде микрокапель локализуется вокруг кристаллов аскорбиновой кислоты, сливаясь затем в сплошную оболочку. Последующие операции обычные: затвердение оболочек микрокапсул, отделение микрокапсул от дисперсионной среды, промывка и сушка.
Химические методы.
Химические методы применяются для микрокапсулирования как твердых, так и жидких веществ. Получение микрокапсул химическим методом основано на образовании оболочек вокруг ядер микрокапсулируемого вещества в результате реакции полимеризации и поликонденсации пленкообразующих компонентов. Реакция идет на границе раздела двух фаз вода – масло при определенных количественных соотношениях капсулируемого вещества и материала оболочки при определенных концентрациях полимера в растворе. Материал оболочки должен легко адсорбироваться на поверхности диспергированных частичек.
Для получения микрокапсул
этим методом в масле
Высвобождение капсулируемого вещества.
Содержимое микрокапсул может высвобождаться путем механического разрушения оболочек под действием давления, при трении, ультразвуковом воздействии, плавлении, разрыванием изнутри парами или газообразными веществами, выделяющимися при изменении внешних условий, при взаимодействии вещества оболочки со средой при растворении в ней, а также в результате диффузии содержимого при набухании стенок микрокапсул в окружающей жидкости. Во всех случаях необходимо сочетание возможности достаточно полного высвобождения вещества, в момент использования, с надежной защитой его от окружающей среды в период хранения.
Применение микрокапсул в медицине и фармации.
В настоящее время в виде микрокапсул выпускают ряд лекарственных веществ: витамины, антибиотики, противовоспалительные, мочегонные, сердечно – сосудистые, антиастматические, противокашлевые, снотворные, противотуберкулезные и т. д. Помимо того, микрокапсулы могут быть использованы в виде спансул, медул, а также в форме таблеток, брикетов, суспензий и в ректальных капсулах. Имеются сведения об их внутрибрюшинном и внутривенном введении подопытным животным. В настоящее время исследуется возможность применения микрокапсул в инъекциях, глазных каплях, имплантационных таблетках. Большой интерес представят пластырные ленты с нанесенным тончайшим слоем микрокапсулированных лекарственных веществ.
Микрокапсулирование открывает интересные возможности при использовании ряда лекарственных веществ, которые нельзя реализовать в обычных лекарственных формах. Иллюстрацией возможностей капсулирования является применение нитроглицерина в микрокапсулах. Обычный нитроглицерин в подъязычных таблетках или в каплях (на кусочке сахара) обладает кратковременным периодом действия. Микрокапсулированный нитроглицерин обладает способностью длительно высвобождаться в организме. Особенно эффективно сочетание обычного (быстровсасывающегося) нитроглицерина совместно с микрокапсулированным.
Микрокапсулирование лекарственных и витаминных препаратов.
Изготовление
Особенностью изготовления микрокапсулированных препаратов является использование технологии, когда готовые лекарственные или витаминные формы после изготовления покрываются оболочками. При этом процессы изготовления лекарственных форм и оболочек разделены. Кроме того, многие вещества склонны к распаду или структурным превращениям под действием повышенных температур, видимого и УФ – света, кислорода воздуха, рН и ионной силы среды, реакционноспособных компонентов смесей, что не дает возможности их качественного изготовления.
Микрокапсулирование на базе монодисперсных технологий (например, с использованием метода получения полых микросфер, внутри которых находится жидкая субстанция) позволяет во многом преодолеть указанные трудности и получить высококачественный конечный продукт.
Для получения пролонгированных
форм медицинских препаратов используется
большое количество разнообразных
синтетических и природных
Основными областями использования монодисперсной технологии в биомедицине и биотехнологиях являются: микрокапсулирование лекарственных и витаминных препаратов, антибиотиков, ферментов, микрокапсулирование вирусов и бактерий, вакцин и сывороток и т.д. Для проведения этих исследований была создана лабораторная установка.
Рис.5. Установка для микрокапсулирования и микрогранулирования лекарственных и витаминных препаратов
Установка состоит из следующих элементов: вакуумная камера, реактор, генератор монодисперсных капель с системой возбуждения, система поддержания рабочей температуры, система поддержания избыточного давления, система наблюдения и контроля.
Рис.6. Блок-схема
экспериментальной установки:
1 - реактор, 2 - фильера, 3 - стробоскоп, 4 - пьезокорректор,
5 - сборник микрогранул
Вакуумная камера предназначена для изоляции поверхности исследуемого вещества от воздействия кислорода, содержащегося в воздухе, может быть также использована для создания инертной среды и подключения системы охлаждения.
Реактор предназначен для хранения и подготовки вещества к диспергированию на одинаковые микрогранулы.
С помощью генератора монодисперсных капель с системой возбуждения на струю истекающей жидкости накладываются внешние возбуждения. Под действием возбуждения струя распадается на одинаковые капли.
С помощью системы нагрева осуществляется создание и поддержание однородного температурного поля.
Система поддержания избыточного давления предназначена для создания постоянного давления, необходимого для истечения струи из реактора с определённой скоростью.
С помощью системы наблюдения осуществляется контроль над характеристиками распада струи на капли и температурой вещества в реакторе.
Установка позволяет получать монодисперсные частицы сферической формы диаметром от 50 до 1500 мкм из материалов с температурой нагревания рабочей жидкости. Коэффициент несферичности и отклонение от среднего диаметра получаемых микрогранул не превышает 1%. Скорость генерации микрогранул зависит от режима монодисперсного распада и достигает 103 — 106 частиц/с.
Получение микрокапсул на основе хитозана методом вынужденного капиллярного распада струи.
На установке для
|
|
1 |
2 |
Рис.7. Фотографии
микрокапсул: | |
Рабочая жидкость (раствор хитозана), выдержанная при необходимой температуре, помещалась в реактор, нагретый до той же температуры, после чего производилось диспергирование раствора.
Образовавшиеся сферические
Полученные микрокапсулы отмывались от масла и просушивались. В процессе промывки и подсушивания капсулы не теряли сферической формы. Размер частиц высушенных капсул составлял 150-200мкм (рис. 7.2).
Получение микрокапсул на основе биологически активных полимеров и сверхкритических растительных экстрактов.
Технология сверхкритической флюидной экстракции позволяет получать все экстракты и ингредиенты, что и традиционные технологии, но более высокого качества и управляемого состава. Между тем, многие из биологических соединений, входящих в состав флюидных экстрактов, неустойчивы. Нестабильность таких соединений может привести к многочисленным нежелательным последствиям, в том числе к образованию неконтролируемых, вредных для здоровья продуктов химических превращений.
Один из наиболее перспективных путей решения этой задачи - микрокапсулирование экстрактов в оболочки из природных биополимеров, в частности, ионотропное желирование с образованием оболочек из полиэлектролитных хитозан – альгинатных комплексов.
Этот путь имеет ряд очевидных
преимуществ перед
- возможность получения микрокапсул, оболочки которых обладают собственной биоактивностью;
- способность оболочки к биоразложению с образованием безвредных для организма метаболитов;
- возможность контролируемого высвобождения биологически активных веществ за счет регулирования проницаемости оболочки;
- удобство применения микрокапсул, связанное со способностью мягкой гелевой оболочки достаточно легко разрушаться при механическом воздействии непосредственно в процессе использования;
- относительная простота организации технологического процесса микрокапсулирования с использованием доступного российского сырья;
- маркетинговая привлекательность изделий, содержащих микрокапсулы.

- Назначение и методы связи пресс-службы со СМИ
- Назначение и методы составления сводной бухгалтерской отчетности
- Назначение и методы составления сводной бухгалтерской отчетности
- Назначение и область деятельности антикризисного менеджера
- Назначение и область применения грохота вибрационного
- Назначение и область применения ксенона и его характеристика
- Назначение и общее устройство Двигателя внутреннего сгорания (ДВС) его систем и механизмов
- Назначение и классификация фрезерных станков
- Назначение и конструкция обрабатываемой детали
- Назначение и конструкция слоёв дорожной одежды
- Назначение и конструкция тягового электродвигателя
- Назначение и краткая характеристика процесса гидрокрекинга
- Назначение и материал для изготовления катушки управления контактора постоянного тока
- Назначение и методика составления пояснительной записки к бухгалтерской (финансовой) отчётности