Кофеин хорошо известен своей способностью помогать людям не расслабляться, но команда исследователей из Массачусетского технологического института и Женской больницы Бригхэма недавно нашла новый способ применения для этого химического стимулятора – катализировать образование полимерных материалов.
Используя кофеин в качестве катализатора, исследователи разработали способ создания жевательных, биосовместимых гелей, которые можно использовать как способ приёма препарата внутрь и других медицинских применений.
Большинство синтетических подходов (к построению системы моделей, как композиционный подход) к синтезу и сшиванию полимерных гелей и других материалов используют катализаторы или условия, которые могут повредить чувствительные вещества, такие как биологические препараты. В противоположность этому, здесь используется экологически безопасная, «зелёная» химия и обычные пищевые ингредиенты, как утверждают авторы исследования – профессора Института интегративных исследований рака им. Дэвида Г. Кока (при Массачусетском технологическом институте). Они полагают, что эти новые материалы могут быть полезны при создании новых медицинских изделий и доставки лекарственных препаратов в организм.
В своей статье, посвященной подобным гелям, исследователи описывают их наполнение двумя противомалярийными препаратами. Как ожидается, материал сможет также использоваться для перенесения и других различных лекарств, делая их жевательными или более легкими для глотания. Это действительно привлекательная перспектива для пациентов, особенно детей, которые испытывают трудности с приёмом капсул и таблеток.
Для изготовления полимерных гелей обычно требуются металлические катализаторы, которые могут представлять опасность, если какой-либо из катализаторов останется в материале после образования геля. Исследовательская команда хотела придумать новый способ создания гелей с использованием катализаторов и исходных материалов на основе пищевых продуктов и других материалов – безопасных для приёма внутрь.
Цель состояла в том, чтобы попытаться упростить метод изготовления и обеспечить улучшенный профиль безопасности препарата с самого начала, используя потенциально более безопасные катализаторы.
Хотя кофеин раньше и не использовался для химического синтеза, он привлек внимание исследователей, поскольку он имеет растительное происхождение и может действовать как слабоосновной элемент, что означает, его способность мягко удалять протоны из других молекул. Он также имеет сходную структуру с некоторыми другими органическими слабыми основаниями, использующимися для катализа тех типов химической реакции, что необходимы для образования этих гелей, – образования сложноэфирных связей для создания сложного полиэфира.
Полиэфиры обеспечивают заранее продуманную структуру съедобных материалов, полученных из био ресурсов. Однако не было никаких катализаторов, которые были бы достаточно мягкими, чтобы закрепить эти молекулы, не вызывая нежелательных реакций или требующих сверхвысокой температуры. Новая платформа предоставляет элегантное решение этой проблемы, используя недорогие материалы и широкодоступные химические вещества.
Ученые решили использовать кофеин, индуцирующий лимонную кислоту, ещё один съедобный материал, производимый растениями, для образования полимерной трёхмерной структуры (сетки) с полиэтиленгликолем (ПЭГ) – биосовместимым полимером, который используется в лекарственных препаратах и товарах широкого потребления, таких как зубная паста, на протяжении многих десятилетий.
При смешивании с лимонной кислотой и ПЭГ и слегка нагретый, кофеин открывает кислородсодержащее кольцо в ПЭГ, позволяя ему реагировать с лимонной кислотой для образования цепей, которые состоят из чередующихся молекул ПЭГ и лимонной кислоты. Если молекулы препарата присутствуют в смеси, они также становятся включенными в эти цепи. В зависимости от применения или от введения в состав определённых лекарств, можно смешивать и сочетать, чтобы найти оптимальную смесь.
Исследователи показали, как можно ввести в эти полимеры два препарата от малярии: артесунат и пиперахин. Химические и механические свойства геля также могут быть преобразованы путём изменения состава. Учёные создали гели, которые содержат либо ПЭГ, либо другой полимер, называемый полипропиленгликолем, а также и те, что объединяют эти два полимера в разных соотношениях. Это позволяет им контролировать такие свойства, как прочность материала, структура поверхности и скорость, с которой выпускаются лекарства. Изменение свойств поверхности материала помогает контролировать, как быстро или медленно гель перемещается по пищеварительному тракту.
Полученные гели содержат небольшое количество кофеина, примерно такое же, как в чашке чая. В предварительных испытаниях на безопасность вредного воздействия на четыре типа клеток человека или на крыс не было обнаружено.
