Статья: Исследование свойств микрокапсул оксида цинка в альгинате натрия

Исследование свойств микрокапсул оксида цинка в альгинате натрия

С.И. Нифталиев, Е.М. Горбунова, С.Е. Плотникова, Ю.С. Перегудов, В.Н. Данилов

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Аннотация. Целью исследования является получение микрокапсулированного оксида цинка, обладающего противовоспалительным действием, в биоразлагаемом природном полимере - альгинате натрия и изучение его свойств. Для исключения интоксикацией ZnO и обеспечения пролонгированного действия, предложено заключить его в водорастворимую и биодеградируемую оболочку. Процесс получения микрокапсул осуществляли переосаждением полимера на поверхности капсулируемого вещества путем замены растворителя.

Методом комплексонометрического титрования исследована кинетика высвобождения оксида цинка из полимерной оболочки альгината натрия. Установлено, что при pH, близких к среде в кишечнике (6.86 и 9.18), через 105 минут наблюдалась максимальная концентрация оксида цинка в растворе - 47 % и 48 % соответственно. Определена оптимальная скорость добавления осадителя - этанола - 0.5 см3/мин. Полученный ИК-спектр с помощью ИК-Фурье спектрометра имеет максимумы поглощения при 2919см-1 (свидетельство о наличии в нём карбонильных групп), 1084 см -1 (гидроксильные группы) и 414 см-1 (валентные колебания Zn-O).

На снимках, полученных на растровом электронном микроскопе JSM-6380LV JEOL с системой микроанализа INCA 250 видно, что некоторые частицы слипаются, образуя конгломерат. Биоразлагаемую оболочку - альгинат натрия исследовали на приборе синхронного термического анализа STA 449 F3, Jupter, фирмы NETZSCH для определения влияния температуры на поведение альгината натрия во время образования оболочки на поверхности оксида цинка. На кривых ДСК в интервале температур 25-100 °С наблюдается комплексный эндотермический эффект (153.4 Дж/г), сопровождающийся уменьшением массы образца альгината натрия (11.54 %).

Полученные микрокапсулы рекомендуется использовать для предотвращения заболеваний ЖКТ у всех групп свиней.

Ключевые слова: микрокапсулирование, оксид цинка, альгинат натрия.

STUDY OF THE PROPERTIES OF ZINC OXIDE MICROCAPSULES IN SODIUM ALGINATE

S.I. Niftaliev, E. M. Gorbunova, S. E. Plotnikova, Y. S. Peregudov, V. N. Danilov

Voronezh State University of Engineering Technologies

The aim of the study is to obtain microcapsulated zinc oxide, which has an anti-inflammatory effect, in a biodegradable natural polymer-sodium alginate and to study its properties. To avoid intoxication with ZnO and ensure a prolonged action, it is proposed to enclose it in a water-soluble and biodegradable shell. The process of obtaining microcapsules was carried out by re-deposition of the polymer on the surface of the encapsulated substance by replacing the solvent.

The kinetics of the release of zinc oxide from the polymer shell of sodium alginate was studied by complexometric titration. It was found that at pH close to the environment in the intestine (6.86 and 9.18), after 105 minutes, the maximum concentration of zinc oxide in the solution was observed-47 % and 48 %, respectively. The optimal rate of addition of the precipitator - ethanol - 0.5 cm3/min was determined. The obtained IR spectrum with the help of an IR-Fourier spectrometer has absorption maxima at 2919 cm-1 (evidence of the presence of carbonyl groups in it), 1084 cm-1 (hydroxyl groups) and 414 cm-1 (valence vibrations of Zn-O).

The images obtained on the JSM-6380LV JEOL scanning electron microscope with the INCA 250 microanalysis system show that some particles stick together, forming a conglomerate. The biodegradable shell-sodium alginate-was examined using a NETZSCH synchronous thermal analysis device STA 449 F3, Jupter, to determine the effect of temperature on the behavior of sodium alginate during the formation of the shell on the surface of zinc oxide. On the DSC curves in the temperature range of 25-100 °C, a complex endothermic effect (153.4 J/g) is observed, accompanied by a decrease in the mass of the sodium alginate sample (11.54 %).

The resulting microcapsules are recommended to be used to prevent gastrointestinal diseases in all groups of pigs.

Key words: microcapsulation, zinc oxide, sodium alginate.

Введение

Термин «микрокапсулирование» появился в середине двадцатого века, и с тех пор наблюдается значительный интерес к проблемам капсули-рования как лекарственных препаратов, так и их применение в различных отраслях химической и пищевой промышленности [1-3].

Микрокапсулы состоят из тонкой оболочки полимерного или другого материала, шарообразной или неправильной формы, размером от 1 до 2000 мкм, содержат твердые или жидкие активные действующие вещества [4]. В основном, широкое применение нашли микрокапсулы размером от 100 до 500 мкм.

Микрокапсулирование - это технологический процесс заключения мелких частиц вещества в тонкую оболочку пленкообразующего материала.

В качестве материала для создания пленкообразующей оболочки используют высокомолекулярные соединения животного и растительного происхождения, синтетические полимеры, а также растительные масла и воски [5-9].

Оксид цинка обладает противовоспалительным действием, легким анальгезирующим и местным жаропонижающим эффектами. В качестве оболочки для капсулированияZnO был выбран альгинат натрия - водорастворимый и биодеградируемый полимер. Альгинаты (соли альгиновых кислот) получают из бурых морских водорослей, они состоят из связанных 1,4-в-связями остатков D-маннуроновой и a-L-гулуроновой кислот [10-11].

Цель работы - получение микрокапсулированного оксида цинка в биоразлагаемом природном полимере - альгинате натрия и изучение его свойств.

Методика эксперимента

Процесс получения микрокапсул осуществляли переосаждением полимера на поверхности капсулируемого вещества путем замены растворителя. Стадии микрокапсулирования: растворение оксида цинка в диметилсульфоксиде и диспергирование; осаждение альгината натрия на поверхности оксида цинка путем постепенного прибавления осадителя [12].

В качестве осадителя использовали этиловый спирт, соотношение вещество-полимер 1:1, варьировали скорость подачи этанола от 0.5 до 2 см3/мин. Процесс вели в присутствии стабилизатора Е407. Диспергирование осуществляли механическим путем и обработкой ультразвуком.

Количественное освобождение оксида цинка определяли комплексонометрическим методом. Согласно методике, Zn2+ титруют комплексоном III (ЭДТА) в аммиачном буферном растворе (pH=10) в присутствии уротропина, с очень резким изменением окраски в точке стехиометричности. Индикатор - раствор ксиленового оранжевого. 1 мл 0.05 М раствора комплексона III соответствует 3.269 мг Zn.

Полученные микрокапсулы исследованы на растровом электронном микроскопе JSM-6380LV JEOL с системой микроанализа INCA 250. Структура микрокапсул подтверждалась методом ИК- спектроскопии с использованием ИК-Фурье спектрометра VERTEX 70 в режиме пропускания в таблетке с бромидом калия в диапазоне от 500 см-1 до 4000 см-1.

Проводилось исследование оболочки методом дифференциально-сканирующей калориметрии / термогравиметрии (ДСК/ТГА) [13-14]. Метод ДСК широко применяется для исследования тепловых эффектов композитов, индивидуальных соединений, бинарных и многокомпонентных систем [15]. Прибор синхронного термического анализа STA 449 F3, Jupter, фирмы NETZSCH. Точность измерения температуры 0.3оС. Масса образца - до 5 г, разрешение весов 0.1 мкг. Прибор может работать от -150оС до 1600оС (атмосфера - азот) при использовании различных взаимозаменяемых сенсоров и печей. Температурная программа исследования включала нагрев образца от 25 °С до 170 °С со скоростью 2.5 оС/мин.

Обсуждение результатов

Была исследована кинетика высвобождения оксида цинка из полимерной оболочки альгината натрия. Созданы биологические системы на основе буферных растворов, выбраны значения рН, близкие к значениям среды в желудочно-кишечном тракте. Исследование проводились в трех повторениях, данные эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1. Концентрации оксида цинка в биологическом растворе

По полученным экспериментальным данным построен график зависимости скорости реакции от значений рН (рис. 1)

Рис. 1. Скорость высвобождения ZnO в зависимости от pH

Из графика видно, что при рН 2.5 (значение, близкое к рН желудочного сока) наблюдается незначительное высвобождение оксида цинка, максимум достигается через 105 мин и составляет 32%. Это связано с уплотнением полимерной оболочки в кислой среде.

При рН 6.86 и 9.18 максимальная концентрация ионов цинка в растворе наблюдалась через 105 минут и составила 47 и 48 % соответственно. Данные значения рН близки к кислотности среды в кишечнике, где и происходит максимальное всасывание препарата.

Было изучено влияние скорости добавления осадителя - этанола (пос) на исследуемый процесс. Количественные характеристики полученных микрокапсул, а также их размер в зависимости от посприведены в таблице 2.

Таблица 2. Влияние скорости добавления осадителя на характеристики микрокапсул оксида цинка в альгинате натрия

Таким образом, при более низкой скорости добавления этанола возможно получить более высокое содержание вещества в капсулах, а также уменьшить их размер. Следует отметить, что чем ниже пос, тем однороднее по размерам получаемые микрокапсулы.

С помощью ИК-спектроскопии с использованием ИК-Фурье спектрометра VERTEX 70 подтверждали структуру полученных микрокапсул. ИК-спектр и характеристичные колебательные частоты представлены на рисунке 2 и в таблице 3.

ИК-спектр микрокапсул оксида цинка в оболочке из альгината натрия (рис. 2) имеет максимумы поглощения при 2919 см-1 (свидетельство о наличии в нём карбонильных групп), 1084 см-1 (гидроксильные группы) и 414 см-1 (валентные колебания Zn-O) [16-17]. Спектр оксида цинка идентифицировали со спектром из базы данных (диапазон максимума поглощения при 400-550 см -1) [18-21]. Была исследована микроструктура капсул на растровом электронном микроскопе JSM-6380LV JEOL с системой микроанализа INCA 250.На приведенном снимке (рис. 3) видно, что капсулируемое вещество заключено в полимерную оболочку. Полученный продукт представляет собой частицы неправильной формы, неоднородные по размеру, что характерно для микрокапсул. Они практически полностью покрыты пленкой полимера толщиной 5-10 мкм. Кроме того, некоторые частицы слипаются, образуя конгломерат.

Проведено исследование элементного состава, которое подтверждает преимущественное наличие в микрокапсуле оксида цинка (табл. 4).

Рис. 2. ИК-спектр микрокапсул оксида цинка в альгинате натрия

Таблица 3. Элементный состав микрокапсул

Таблица 4. Характеристичные колебательные частоты

Рис. 3. Электронная микрофотография микрокапсул бОмкт Электронное изображение 1

Биоразлагаемую оболочку - альгинат натрия анализировали на дифференциальном сканирующем калориметре для определения влияния температуры на ее поведение во время образования оболочки на поверхности оксида цинка. На термограмме (рис. 4) присутствуют кривые: изменение энтальпии (кривая ДСК), изменение массы (кривая ТГ). На кривых ДСК в интервале температур 25-100 °С наблюдается комплексный эндотермический эффект (153.4 Дж/г), сопровождающийся уменьшением массы образца альгината натрия (11.54 %), что соответствует двум процессам: де-гидратациии перехода структуры из конформации двойной спирали к конформации статического клубка [14]. Повторный термический анализ показал, что данный процесс является обратимым. Альгинат натрия образует термообратимый гель. Данное качество является важным для создания стабильных гелевых систем, претерпевающих температурные изменения в процессах получения и применения микрокапсул.