Materiale Oxidice Nanostructurate cu Proprietati de Transportor de Medicamente"
OXTRANS
* Contract de cercetare nr.: 2CEEX-06-D11-104
* Director de proiect: Dr. Ruxandra Bîrjega
* Institutii implicate in proiect:
• INFLPR - Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei;
grupul Procesare Optica de Materiale Avansate;
• IB - Institutul de Biochimie al Academiei Romane
• INCDFM - Institutul National pentru Fizica Materialelor;
• ICF - Institutul de Chimie - Fizica "Ilie Murgulescu" al Academiei Romane;
• UB, FCh - Universitatea din Bucuresti, Facultatea de Chimie.
* Obiective:
* Participanti in cadrul proiectului la startul proeictului in 2006
• doctori in stiinte - 27 persoane;
• doctoranzi - 21 persoane;
• masteranzi - 5 persoane;
• studenti - 3 persoane;
• tehnicieni - 7 persoane.
In 2008 la incheirea proiectului 5 doctoranzi si-au sustinut tezele de doctorat si au devenit doctori in stiinte.
Proiectul a cuprins urmatoarele etape de lucru :
Etapa 1: Obtinerea de filme subtiri oxidice ( SiO2, TiO2 si/sau Al2O3, ZrO2) din tinte metalice. Caracterizarea fizico-structurala si testarea biocompatibilitatii filmelor depuse.
Etapa 2 : Obţinerea de pulberi nanostructurate oxizi si oxizi micşti (detipul SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, MgO-Al2O3, Mg(Al)O) şi LDH-Mg-A.Depunerea de filme subtiri prin PLD din tinte ceramice preparate din pulberile sintetizate
Etapa 3 : Caracterizarea structurala , microstucturala, morfologica, proprietati dielectrice si de hidrofobicitate a materialelor nanostructurate preparate prin activitatile etapei anterioare. Testarea activitatii enzimatice a SOD si a eliberarii controlate de ampicilina pe materialele nanostructurate preparate si caracterizate.
Etapa 3 suplimenatara : Fuctionalizare si caracterizarea unor pulberi mezoporoase si filme subtiri
Etapa 4. Tratamente post-sinteza. Aminofunctionalizarea cu organosilani in conditii hidrotermale a pulberilor de SiO2 si TiO2. Tratamente laser in UV a filmelor de TiO2. Teste de activitate enzimatica /SOD si eliberare controlotata de amplicilina imobilizate pe materiale nanostructurate functionalizate sau tratate laser.
Etapa5. Evaluarea potentialului materialelor oxidice nanostructurate ca transportatori de medicamente cu proprietati de eliberare controlata. Elaborarea protocoalelor de sinteza de materialelor nanostructurate si a modului de testare.
In rezumat obiectivele si realizarile proeictului au fost:
Obiectivul principal al proiectului a constat in evaluarea posibilitatii utilizarii ca trasportor de medicamente, cu eliberare controlata, a unei serii de materiale oxidice nanostructurate (ex: SiO2, TiO2, ZrO2, Mg(Al)O). Din punct de vedere stiintific s-a urmarit studierea corelatiilor intre metodele de sinteza si proprietatile fizice, structurale si microstructurale si in consecinta sa se evalueaze capacitatea materialelor preparate de a manifesta proprietati de transportor de medicamente in functie de proprietatile specifice. Obiectivul pe termen lung este posibilitatea folosirii unor materiale ieftine, cu proprietati si proceduri de sinteza controlabile, netoxice si torelate de organismul uman, ecologice in aplicatii bio: medicamente, implanturi etc. Studiile realizate prin activitatile propuse in cadrul proiectului au permis achizitia de date stiintifice ce privesc proprietatile unei serii de materiale nanostructurate obtinute prin proceduri foarte diferite, cu tehnici proprii fizicii sau chimiei, au ajutat la intelegerea mecanismelor de control a unei sinteze ca si al setului de proprietati ce sunt interesante pentru bioaplicatii.
In cadrul proiectului s-au preparat un numar mare de probe, materiale oxidice nanostructurate. Probele au fost caracterizate prin diverse tehnici: difractie de raze X (XRD), microscopia de forta atomica (AFM) , microscopie electronica prin transmisie (TEM), unghi de contact, analize termice si analiza texturale. Deasemenea s-a testat biocompatibilitatea unor filme prin tehnica de cultivare in vitro a celulelor studiindu-se viabilitatea si eventualele schimbari morfologice, prin microscopie de fluorescenta cu markeri. Pentru materialele sub forma de pulberi s-a studiat modul de absorbie si eliberare controlata a unei molecule medicament–test, ampicilina. Comparativ, pentru materialele silicioase s-a studiat si modul in care se adsoarbe o enzima , superoxid dismutaza (SOD) si o proteina albumina serica bovina(BSA). Studiile au fost complexe, au participat atat fizicieni, biologi si chimisti si vor permite o clarificare a tipului de abordare in proiecte viitoare cu folosirea unui limbaj comun cat si cu stabilirea strategiilor de lucru adecvate unor astfel de tematici.
Au fost detaliat studiate cateva sisteme pentru pulberi: structuri mezoporoase de dioxid de siliciu si de dioxid de titan si argile din categoria hidrolalciti , iar pentru filme : filme subtiri de dioxid de titan. Proba cu structura MCM-41 a fost considerata proba de referinta pentru materialele pulverulente si a fost folosita pentru stabilirea modului de lucru in evaluarea cineticii de incarcare cu ampicilina, de titrare a cantitatii absorbite ca si a cinetiicii de eliberare in medii de elutie.
Studiile realizate au permis degajarea unor concluzii care au fost prezentate la diferite manifestari stiintifice internationale.
Le prezentam pe scurt:
- Materiale cu mezoporozitate ordonata din categoria dioxidului de siliciu de tip MCM-41 (sinteza cu surfactant cationic) si SBA-15 (sinteza cu surfactant neutru) sunt materiale adecvate pentru adsorbtia si eliberarea controlata a ampicilinei. Rezultate interesante au fost obtinute in special pe proba de SBA-15. Cu toate ca are o structura cu o porozitate mai putin ordonata si care se intinde pe distante mai scurte, datorita proprietatilor texturale bune si in mod special structurii particulare de pori, de tip vermicular, cu pori cu efect de “calimara”, in cazul probei de SBA-15, s-au obtinut randamente bune de incarcare si o viteza sensibil mai mica de eliberare a ampicilinei fata de proba cu o mezoporozitate mult mai ordonata, de tip MCM-41. Studierea capacitatii de incarcarcare cu ampicilina releva sensibilitatea probelor de silice la mediul ambiant, la umezeala in special, de accea este interesant ca studiile viitoare sa se axeseze pe silice mezoporoasa functionalizata sau pe alte materiale gazda, cum este dioxidul de titan.Studii realizatae asupra materialelor de tip MCM-41 si SBA-15 functionalizate cu amine au aratat influenta asupra proprietatilor texturale in special cu efect asupra capacitatii de incarcare cu ampicilina.
- S-au realizat studiile detaliate pe doua specimene de pulberi de TiO2 : o proba sintetizata prin metoda sol-gel si o proba obtinuta printr-o sinteza asistata de un surfactant neutru. Studiile au aratat influenta unor diferente structurale foarte mici cum sunt, o cristalinitate mai scazuta , prezenta unor defecte ale relelei cristaline asupra modului de incarcare si eliberare a moleculei de medicament. Astfel, pentru proba mai cristalina (sinteza sol-gel) se obtine un randament de incarcare mai mare dar si o eliberare mai rapida, in corelatie cu interactia mai slaba a moleculei oaspete de medicament cu gazda sa. In schimb, pentru proba cu mai multe defecte de retea (sinteza asistata de surfactant), chiar daca proba are aceeasi suprafata specifica si acceasi dimensiune medie de pori, prezenta unor defecte, cavitati sub forma de calimara etc.. conduc la o interactie a moleculei medicament cu suprafata de TiO2 mai puternica si ca rezultat gradul de incarcare este mai mic si eliberarea se produce mai lent.
- Pentru hidrotalciti studiile au avut ca scop selectarea metodei cele mai avantajoase pentru intercalarea in spatiul interstrat a ampicilinei. S-au folosit 3 metode de incorporare pe o proba de hidrotalcit preparata prin coprecipitare la pH=10 si conditii de suprasaturare slabe. Acestea au fost :a) impregnarea, b) reconstructia prin efectul de memorie si c) sinteza directa. Cea mai avantajoasa metoda din punct de vedere al gradului de incorporare si reproductibilitate a procedurii s-a dovedit a fi reconstructia.
- O alta directie de cercetare a fost investigarea proprietatilor de biocompatibilitate a unor filme subtiri de dioxid de titan depuse prin 2 tehnici laser: ablatie laser pulsata (PLD) respectiv, evaporare laser pulsata asistata de o matrice (MAPLE). Testele de biocompatibilitate s-au realizat prin microscopie in fluorescenta cu markeri folosind o linie celulara Hek 293. Studiul a arata ca filmele de TiO2 depuse prin cele 2 tehnici laser PLD si MAPLE sunt netoxice si biocompatibile. Deasemenea s-a constat ca prin MAPLE se obtin filme sensibil mai rugoase si cu caracter granular, efect care creste aderenta celulor pe suprafata filmelor.