Полимерные покрытия - полимеры медицинского назначения

В фармацевтическом производстве полимеры широко применяются в качестве покрытий. По отношению к лекарственным веществам эти покрытия выполняют многочисленные функции, такие, например, как ликвидация неприятного вкуса, дезодорация, предохранение от действия влаги и воздуха, регулирование продолжительности перехода лекарства в раствор. На практике покрытие очень часто выполняет одновременно несколько функций, но все же основной из них остается стабилизация лекарственного вещества- она состоит в том, чтобы предотвратить его деструкцию при хранении, не допустить контакт с водой в процессе приготовления, исключить взаимодействие с другими препаратами. Стабильность лекарственных веществ в твердом агрегатном состоянии и механизм разложения их во многом еще неясны. Вместе с тем обширная практика позволяет констатировать, что чаще всего лекарство претерпевает влияние воды, и разложение может начаться даже под действием ее микроколичеств. Кроме того, практика часто подтверждает правомерность гипотезы, относящейся к гигроскопичности смеси веществ и гласящей, что критическая влагоемкость смеси равна сумме критических влагоемкостей каждого компонента данной смеси. Характерные примеры такой зависимости представлены графически на рис. 37, где показано содержание воды в аскорбиновой кислоте и в порошках, в которых она мелко диспергирована [11].
Кроме разложения, обусловленного присутствием воды, достаточно часто содержание лекарства в фармацевтическом препарате снижается в результате окисления кислородом воздуха. Сопоставление трех типов таблеток витамина А — без покрытия, покрытых сахаром и с покрытием из желатина — показало следующее. По истечении 24 мес. содержание витамина в первом случаем падало до нуля, тогда как в двух других случаях коэффициент удерживания превышал 72%.
Покрытия применяются также для повышения стабильности твердых лекарственных препаратов, но в любом случае желаемый результат может быть достигнут только при использовании пленочных покрытий, обладающих водостойкостью и плохо проницаемых для водяных паров, кислорода и некоторых других веществ. Такие покрытия называются защитными.

Рис. 37. Водостабильность аскорбиновой кислоты и ее порошковых (измельченных до пудры) смесей (И).

1. — аскорбиновая кислота- 2 — 2 % аскорбиновая кислота — фенацетин- 3 — 2 % аскорбиновая кислота — ацетоанилид- 4 — 2 % аскорбиновая кислота — лактоза- 5 — 2 % аскорбиновая кислота — инозитол- 6 — 2 % аскорбиновая кислота — сахароза- 7 — 2 % аскорбиновая кислота — декстроза- 8 — 2 % аскорбиновая кислота — хлорид натрия- 9 — 2 % аскорбиновая кислота — сольвоза- 10 — 2 % аскорбиновая кислота — пшеничный крахмал;
2. — 2 % аскорбиновая кислота — тальк- 12 — 2% аскорбиновая кислота — низкомолекулярная кремневая кислота. Тонкие кривые — коэффициент удерживания (%) по истечении 10 сут, толстые — по истечении 30 сут.

У сахарных таблеток предохранителем является водный раствор сахара, и перед нанесением покрытия необходимо осуществить гидрофобизацию. Для защитных покрытий давно применяются шеллак, поливинилацетат и некоторые другие нерастворимые в воде полимеры. При использовании они теряют естественную способность к дезинтеграции в живом организме и элиминируются из него в первоначальном своем виде- таким образом, желаемый эффект не достигается. Следовательно, для покрытий надо использовать такие вещества, которые, наряду с предохраняющими свойствами обладали бы способностью к дезинтеграции под действием веществ живого организма. Исходя из посылки, что уровни pH желудочного сока и жидкости кишечника отличаются, принципиально возможно создать такое вещество, которое, разлагаясь кислотами желудочного сока, обладало бы стойкостью к действию воды, т. е. активно действующее в желудке. Кроме того, уже разработаны и реализуются покрытия, растворимые в обеих средах — как в желудке, так и в кишечнике. Цель всех разработок состояла в том, чтобы создать покрывающий материал, максимально полно дезинтегрирующийся в организме, т. е. растворимый и в кислотах и в щелочах, но не растворяющийся при промежуточных значениях pH.
Способы получения таких покрытий подразделяются на две различные методики. Первая заключается в том, что полимеру, способному к пленкообразованию, сообщают растворимость, уровень которой зависит от величины pH. Так, сначала вводят аминогруппы или основные заместители, сообщающие соединению растворимость в кислых средах, а затем карбоксил или другие кислотные группы, придавая тем самым растворимость в кишечной жидкости. Например, введением в метилцеллюлозу бензил аминогрупп синтезируют бензил аминометилцеллюлозу, растворимую в желудочном соке, или же связывают фталоильные группы с ацетатом целлюлозы, получая ацетофталат, растворимый в кишечной жидкости.
Вторая методика состоит в том, что получают пленкообразующий полимер из соединения, содержащего кислотные или основные группы. Например, полимеризуют винилпиридин или метакриловую кислоту или соответствующие им аналоги, получая в каждом отдельном случае высокомолекулярный материал для покрытий, растворимый соответственно в желудке или В кишечнике. Сополимеризацией же обоих соединений можно синтезировать вещество, способное растворяться в обеих средах — желудочной и кишечной. Некоторые сополимеры такой группы представлены в табл. 35 [12].

Таблица 35. Сополимеры, обладающие растворимостью в желудочном соке и кишечной жидкости [12]

Основные характеристики защитных пленок, непосредственно связанные с их предохраняющими свойствами,— это влаго- и водостойкость. Картинин хлорид, как известно, проявляет сильнейшую склонность к влагопоглощению- его таблетировали, а затем наносили покрытия из различных сополимерных материалов. На рис. 38 характеризуется гидрофобное действие предохраняющих покрытий по сравнению с незащищенными таблетками [12]. Все испытания были проведены при 90% относительной влажности и температуре 25 °С. Из кривых видно, что влагопоглощение зависит от продолжительности выдерживания таблеток в среде с высокой влажностью. Гидрофобные эффект полимерных пленок проявляется во всех случаях однозначно.
Дезинтеграция полимерного материала внутри живого организма представляет собой важнейшую стадию, предшествующую всасыванию, и в качестве характеристики покрывающего материала играет определяющую роль. В этой связи следует подчеркнуть, что условия внутри пищеварительного тракта имеют сугубо индивидуальный характер и достаточно резко различаются у разных пациентов. Даже у одного и того же индивидуума эти условия в разное время неодинаковы. Следовательно, можно говорить об исключительной сложности всего процесса резорбции и усвоения, поэтому испытания на дезинтеграцию материалов внутри живого организма необходимо проводить на возможно более широком контингенте.
Рис. 38. Влагопоглощающая способность таблеток картинина хлорида и защитный гидрофобный эффект сополимерных покрытий (12).

1— без покрытия- 2 — 4-винилпиридин-метакриловая кислота — метилакрилат- 3 — 2-винилпиридинмета- криловая кислота — метилакрилат- 4 — 2-винил-5- этилпиридинметакриловая кислота — метилакрилат.

Была исследована способность дезинтегрироваться в человеческом организме полимерных покрытий двух разновидностей: растворимого только в желудке, и растворяющегося как в желудке, так и в кишечнике. Все пациенты в количестве 131 человека подразделены на три группы: к первой относятся те, кому был введен витамин В2 в виде таблеток без покрытия- во вторую группу включены пациенты, которым вводили таблетки витамина В2 с покрытием, представляющим собой растворимый в желудке сополимер 2-винил-5-этилпиридина со стиролом- к третьей группе относятся пациенты, принявшие таблетки того же витамина с покрытием, растворимым в обеих средах — желудка и кишечника — и представляющим собой тройной сополимер 2-винил-2-этилпиридина с метакриловой кислотой и метилакрилатом. После введения таблеток измеряли количество элиминируемого с мочой витамина В2- результаты измерений представлены в табл. 36 [13].
У пациентов третьей группы всасывание протекает несколько медленнее по сравнению с таковым у лиц первой группы, однако до тех пор, пока не прошло 6 ч от. начала резорбции, среднее содержание витамина в моче пациентов обеих групп примерно одного порядка. Отсюда следует, что обе разновидности таблеток можно рассматривать как полностью дезинтегрирующиеся в живом организме. Что же касается пациентов второй группы, принявших таблетки с покрытием из сополимера 2-винил-5-этилпиридина со стиролом, то у них содержание витамина В2 в моче не превышает 70% от соответствующего показателя у лиц первой группы- следовательно, в данном случае покрытие дезинтегрируется в организме не полностью.
Известны высокомолекулярные материалы для покрытий, Которые наряду с водоотталкивающими свойствами обладают способностью растворяться в пищеварительном соке и, следовательно, могут функционировать в виде растворов в органических растворителях при полном отсутствии воды. Они используются в качестве пленочных покрытий, а в последнее время приобрели весьма широкое применение и как вещества, препятствующие проникновению воды в таблетки с сахарным покрытием.
Таблица 36. Среднее содержание витамина В2 в моче пациентов [13].

Предпочтительность именно пленочных покрытий обусловлена несколькими причинами- во-первых, тем, что незначительная толщина пленки позволяет изготовлять таблетки малого размера- во-вторых, тем, что такие покрытия, будучи по природе высокомолекулярными, весьма стабильны как в отношении гидрофобности, так и по физическим свойствам. Они технологичны, разброс характеристик готовых таблеток очень невелик, а простота изготовления позволяет предельно облегчить и ускорить всю технологию. Растворимость покрытия влияет как на внешний вид готовой лекарственной формы, так и на стабильность последней, особенно важную, например, при хранении- кроме того, растворимость крайне важна и в аспекте дезинтеграции препарата внутри организма. Наконец, растворимость является действенным фактором и в биологическом отношении, ибо весьма часто именно пленочное покрытие обсахаренных таблеток обеспечивает более полную защиту лекарства, чем предохраняющее покрытие.
Растворимость, как известно, выражается двумя параметрами— статическим и динамическим: степенью и скоростью растворения. Применительно к нанесению покрытий на лекарственные препараты более важен второй фактор. Скорость растворения выражается формулой (2), выведенной на основании диффузии:
(2)
где С — концентрация вещества, растворившегося за время t- Cg — концентрация насыщенного раствора (степень растворения)- D — постоянная диффузии- К — видимая постоянная скорость растворения.
В целом процесс растворения лимитируется стадией диффузии- кроме того, он зависит еще и от стадии набухания полимера. Так, известны, сообщения о заметном снижении скорости
именно вследствие набухания. При растворении высокомолекулярных соединений наибольшие трудности связаны со степенью растворения и с постоянной диффузии, поскольку оба эти показателя весьма низки. Если говорить о показателе D применительно ко всем соединениям вообще, то в соответствии с формулой Арнольда (Arnold) он тем меньше, чем крупнее молекулы вещества, в случае же высокомолекулярных соединений этот параметр снижается на целый порядок.
Ацетофталат целлюлозы, растворимый в кишечнике, является высокомолекулярным электролитом. Как видно из кривых на рис. 39, скорость его растворения не только определяется уровнем pH, но зависит еще и от ионной силы [14]. По современным представлениям, это обусловлено тем, что свойства полимера, так или иначе коррелирующие со степенью его разложения Cs, отличаются крайней нестабильностью, ибо весьма восприимчивы к внешним воздействиям, в частности к влиянию раствора электролита.
Подавляющее большинство пленочных покрытий представлено высокомолекулярными веществами, и, следовательно, необходимо располагать основными сведениями о возможностях этих полимеров, в частности о физических динамических свойствах, например, о прочности на разрушение. Наиболее общим способом определения динамических характеристик является, как известно, испытание на напряжение—деформацию- первый параметр выражают обычно через а, второй — через е. На рис. `40 показана общая модель кривой зависимости деформации от напряжения [15]. Из этой кривой можно определить значения модуля Юнга Е, предела текучести оу, прочности при растяжении ов, предельного удлинения ев и другие характеристики полимерного материала для покрытий. Модуль Юнга выводят из градиента начального прямолинейного участка кривой напряжения— деформации по формуле: E = cIg/cIe = gl/sl
На рис. 41 представлено пять разновидностей кривых данного типа. В качестве покрывающих материалов использованы такие полимеры, которые обладают твердостью и пластичностью (ударной вязкостью), т. е. предпочтительными являются материалы с высоким модулем упругости и пределом текучести, а также хорошей прочностью при растяжении и большим относительным удлинением.

Рис. 39. Влияние уровня pH и ионной силы на скорость растворения ацетофталата целлюлозы (14) (растворение в 200 мл фосфатного буфера при 37 °С). 1 — 1/10 М- 2 — 1/30 м.
Рис. 41. Разные конфигурации кривых напряжения-деформации (15).
1 — вещество мягкое, непрочное- 2 — твёрдое, хрупкое- 3 — твердое прочное- 4 — мягкое вязкое- 5 — твердое вязкое.
Рис. 40. Характерная кривая напряжения-деформации (15).

Для упрощения методики испытаний в качестве образцов часто используют листы фильтровальной бумаги, пропитанные раствором исследуемого высокомолекулярного материала. Хираи и сотр. [16] вымачивали испытываемые образцы в воде: за основную характеристику легкости дезинтеграции полимерного покрытия принимали снижение его разрывной прочности. Было однозначно установлено, что и влагоемкость покрытия, нанесенного на таблетку, и снижение его разрывной прочности изменяются симбатно- это видно из графиков на рис. 42. Вследствие своей высокомолекулярной природы материал покрытия способен пропускать газы, и уровень проницаемости (коэффициент пропускания) непосредственно отражается на защищающем действии покрытия по отношению к лекарственному веществу. Следовательно, газопроницаемость тоже относится к важнейшим характеристикам покрытий. Основной проблемой здесь является прохождение кислорода и водяных паров- в особенности важно всячески препятствовать проникновению последних. Этот показатель сильно меняется в зависимости от природы покрывающего материала и разновидности присадок.

Рис. 42. Сравнение гигроскопичности и прочности при растяжении некоторых полимеров, используемых в качестве покрытий для таблеток (18).
1 — поливинилпирролидон- 2 — поливинилацетат- 3 — цетиловый спирт- 4 — шеллак- 5 — воск.

Рис. 43. Модель прохождения газа через пленку.
Прохождение газа через высокомолекулярные пленки обычно определяется стадией диффузии, а именно молекулы газа растворяются у полимерной  мембраны и в соответствии с перепадом концентраций диффундируют через нее.
Как видно из рис. 43, газообразное вещество проходит через пленку толщиной I и площадью поверхности А в том случае, когда давление газа на обеих сторонах пленки имеет определенный перепад, т. е. при условии Ра>Рь. Когда концентрация газа по отношению к Ра составляет Са, а по отношению к Р равна С — создается градиент концентраций, вследствие которого в пленке толщиной I концентрация газа падает от С к С. Если константу диффузии газа через пленку выразить через D, то количество Q газа, которое в условиях стационарного течения процесса с постоянной скоростью пройдет через пленку за время ty будет описываться следующей формулой:3)
Далее, выражая константу растворения газа в полимерной мембране через 5, получим:
Таблица 37. Константы проницаемости для паров воды некоторых полимерных материалов [17] [Р-1011 г/см.с.см рт. ст.]

Отсюда следует:
(5)
Наконец, если принять, что P = DS1 получится такое выражение:
(6)
Величина Р зависит от константы растворения газа в пленке и от постоянной диффузии. Она представляет собой коэффициент пропорциональности, определяемый для каждого отдельного высокомолекулярного вещества, и имеет название постоянной пропускания. Размерность последней [г-см/см2 с-см рт. ст.].
В табл. 37 приведены результаты эмпирического определения проницаемости некоторых полимеров для паров воды [17]. Из цифрового материала видно, что шеллак характеризуется наименьшей влагопроницаемостью. Это обусловлено тем, что в его молекулах содержится мало карбоксильных групп с сильным сродством к воде. Производные же целлюлозы, как известно, кроме карбоксила, содержат в своих молекулах еще и гидроксильные группы, поэтому их константы влагопроницаемости весьма высоки. Если защитные пленки выполняются из гидрофобных полимеров, не содержащих полярных групп и не имеющих больших боковых цепей, прохождение паров воды через такие пленки тем медленнее, чем больше их толщина.
Применение покрытий, не растворяющихся в желудке, но растворимых в кишечнике, препятствует потере лекарственной эффективности под действием кислот желудочного сока, исключает побочные действия медикамента по отношению к желудку и,     наконец, повышает действенную концентрацию лекарственного вещества в кишечнике. Кроме того, оно дает возможность регулировать продолжительность и локальную направленность действия лекарственного препарата. В качестве материала для таких покрытий используются карбоксилсодержащие полимеры, обладающие способностью растворяться в воде при превышении некоторого уровня pH. В табл. 38 показана растворимость покрытий такого типа, наиболее широко используемых в настоящее время [18]. Покрытия, созданные на основе растворимых в кишечнике веществ, имеют название кишечных покрытий (enteric coating)- лекарственные формы с таким покрытием называют препаратами кишечного действия.
Важнейшая проблема, связанная с разработкой медикаментов кишечного действия, состоит в том, по какой методике и на каком уровне определять pH их растворов. Скорость прохождения препарата через желудок в высшей степени нерегулярная и колеблется в широком интервале значений в зависимости от индивидуальных особенностей пациента и ряда других факторов. Таким образом, динамика резорбции и усвоения лекарства меняется тоже очень сильно. Еще одна трудность состоит в том, что возможна неполная дезинтеграция покрытия на всасывающих участках, которая влечет за собой резкие изменения в количестве усвояемого лекарства. Кислотность желудочного сока зависит от индивидуальных физиологических особенностей пациента и колеблется очень сильно, а поэтому претерпевает изменения и уровень pH тонких кишок, где резорбируется основной объем лекарственного вещества.
Таблица 38. Растворимость кишечных покрытий [18]

Это  рассматривается как причина неодинакового всасывания и лечебного эффекта у разных индивидуумов.
Таблица 39. Нарушение кислотности желудка и содержание в моче витамина В2 через 24 ч после введения в виде препарата кишечного действия [19]

Данные, приведенные в табл. 39, характеризуют резорбцию витамина В2 в кишечнике пациентов с нарушенной кислотностью [19]. Цифры позволяют утверждать, что кислотный фон желудка играет гораздо более значительную роль, чем предполагалось. Так, рассмотрение кинетики действия лекарства, область всасывания которого строго локализована лишь тонкими кишками, показывает, что желаемый эффект, т. е. удовлетворительный уровень резорбции медикамента, может быть достигнут только в том случае, если ему сообщена способность растворяться в кишечнике в условиях достаточно низкого pH.
При использовании форм кишечного действия наблюдаются и такие случаи, когда препарат проходит через тонкие кишки, т. е. через область всасывания основного объема лекарства, совершенно не дезинтегрируясь. На современном уровне знаний подобного рода аномалии непреодолимы, поэтому предпочтительно вводить за один прием, когда число единиц невелико, не таблетки, а большое количество гранулированного препарата. Тем самым достигается возможность пропустить через желудок весь назначенный объем лекарства в виде одной непрерывной серии- кроме того, при этом резко возрастает повторяемость (воспроизводимость) актов всасывания, а также увеличивается реальность дезинтеграции.
На рис. 44 показаны результаты, полученные при приеме ацетилсалициловой кислоты пациентами (8 человек). Применялись таблетки, растворимые в кишечнике в условиях рН=6, а также гранулы кишечного действия. Кривые характеризуют колебания во всасывании ацетилсалициловой кислоты, обусловленные индивидуальными физиологическими особенностями организма пациентов.

рис. 44. Концентрация ацетилсалициловой кислоты в сыворотке крови пациентов (8 человек) после введения каждому 1 г ее в виде гранул кишечного действия или таблеток.

А— гранулы- максимальная концентрация
4,8-6,3           мг/дл, продолжительность 4—10 ч- Б — таблетки- максимальная концентрация
2,9-8,2       мг/дл, продолжительность 6—14 ч.

Очевидно, что при приеме гранул кишечного действия такие колебания гораздо меньше, чем при резорбции из таблеток. Таким образом, можно констатировать, что условия прохождения лекарственных препаратов через желудок являются определяющим моментом. Отсюда следует, что объединение быстро растворяющихся гранул с гранулами кишечного действия в едином фармацевтическом комплексе позволит создать высокоэффективную лекарственную форму пролонгированного действия.
Очень часто практикуется введение в полимеры пластификаторов. Тем самым понижают точку стеклования и температуру размягчения полимера, уменьшают модуль упругости, повышают гибкость и ударопрочность, снижают хрупкость и ломкость и вообще модифицируют полимеры в желательном направлении. Влияние пластификаторов на проницаемость пленок по отношению к парам воды — весьма важный показатель, поскольку до тех пор, пока количество введенной присадки не достигает некоторого определенного минимума, она снижает паропроницаемость пленки. В табл. 40 приведены цифры, характеризующие влияние некоторых пластификаторов на ацетофталат целлюлозы, используемый в качестве покрытия для лекарственных форм кишечного действия [21]. Цифры показывают, что скорость прохождения паров воды и гигроскопичность при введении пластификаторов уменьшаются- общее же влияние последних на продолжительность дезинтеграции практически невелико.

Таблица 40. Влияние пластификатора на покрытие из ацетофталата целлюлозы [21]

В свое время наиболее широко использовались такие пластификаторы, как дибутилфталат, бутилфталилбутилгликолят, триацетин, пропиленгликоль и их аналоги, однако ввиду токсичности производных фталевой кислоты ее эфиры были сняты с производства.
Весьма ответственная роль принадлежит также растворителям полимеров для пленочных покрытий. Выбор растворителя важен с точки зрения относительного удлинения и прочностных характеристик пленки- понятно, что растворитель должен соответствовать каждому отдельному полимеру. В ходе нанесения покрытия растворитель удаляют путем обычной конвекционной сушки, однако далеко не исключены случаи, когда даже после нее растворитель все еще задерживается внутри полимера. Следовательно, проведение курса медикаментозного лечения, связанного с приемом больших количеств лекарственных препаратов с покрытием, чревато опасностью токсикоза растворителем, а потому необходимо самым тщательным образом контролировать возможность удерживания остатков растворителя в полимере. Поскольку в процессе фармацевтических операций растворитель улетучивается, возникает опасность токсикоза при его абсорбции- возможно также возгорание. Кроме того, в последнее время все эти вопросы усугубились в связи с известными проблемами экологической защиты и загрязнения окружающей среды. В заключение следует отметить, что по мере развития техники и технологии сушки в псевдоожиженном слое в последние годы начались эксперименты по использованию водных диспергентов.