Lääkeaineen vapautus
polymeerimatriisista
Sanja Asikainen
Biologisten ilmiöiden mittaaminen ELEC-A8510
14.10.2015
Harjoitustyön tavoitteet
Oppia perusteet lääkeaineen vapautuksesta
Ymmärtää kontrolloidun lääkeainevapautuksen merkitys
Saada tietoa polymeerikemian perusteista
15.10.2015
2
Luennon aiheet
Polymeerien perusteet ja luokittelu
Biohajoavuuden / bioresorboituvuuden määritelmä
Tunnetuimmat biohajoavat polymeerit lääkeainevapautuksessa
Kontrolloidun annostelun menetelmät
Lääkeaineen vapautumista säätelevät mekanismit
Lääkeaineen tutkimisen menetelmät
Laboratoriotyön suoritus ja mittausaikojen varaus
15.10.2015
3
Erilaisia polymeerejä –
luonnon polymeerit vs. synteettiset
Polypeptidit (proteiinit)
•
Polysakkaridit
Koostuvat aminohapoista, jotka
liittyvät toisiinsa peptidisidoksin
Selluloosa - β-D-glukoosimolekyyli
Amylopektiini - glukoosi
Muovit (polymeerit)
L-alaniini
L-glutamiini
•
Koostuvat erilaisista monomeereistä (sekä
lisäaineista, kuten pehmittimistä, väriaineista…)
DNA
•
Koostuu nukleotideista
Eteeni (monomeeri)
Polyeteeni (polymeeri)
http://polymerik.pp.fi/pdf/Osa1-Polymeerit.pdf
15.10.2015
4
Polymeerien synteesi
Monomeeri
- Pienimoolimassainen
lähtöaine
Oligomeeri
-pienimoolimassainen polymeeri
(kokoluokka 100-1000 g/mol)
-koostuu noin kymmenestä
monomeeristä
Polymeeri
-suurimoolimassainen polymeeri
(kokoluokka 50 000 – 100 000 g/mol)
-useita kymmeniä monomeerejä
15.10.2015
5
Homopolymeerit ja kopolymeerit
Homopolymeeri
• Muodostuu yhdestä
monomeerilajista
-A-A-A-A-A-A-
Kopolymeeri
• Muodostuu kahdesta tai
useammasta monomeerilajista
• Vuorottainen (alternoiva) tai
• Säännötön
-A-B-A-B-A-B-A-A-A-B-A-B15.10.2015
6
Perusteita polymeereistä
Kestomuovi eli termoplasti
Kertamuovi (thermoset)
• Muodostuu pitkistä
• Verkkorakenne muodostuu
polymeeriketjuista, joiden
hartsin kovettuessa, jolloin
välillä ei ole kemiallisia
hartsin polymeeriketjut
sidoksia
kytkeytyvät toisiinsa kemiallisin
sidoksin
• Muovattavissa lämmön avulla
• Ei sula, lämmitettäessä lopulta
hajoaa
Haaroittunut kestomuovi
Kertamuovi
15.10.2015
7
Polymeerien rakenteita
Silloittunut
Suoraketjuinen
-A-A-A-A-A-A-
-A-A-A-A-A-A
Haaroittunut
A-A-A-A-A-A-A-A-
A-
A
-A-A-A-A-AA
A
A-A-A-A15.10.2015
8
Polymeerien jaottelu kiteisyyden
mukaan
Kiteiset polymeerit
-Ei täysin kiteisiä koskaan
-Esim. polyeteeni (PE) n. 70 %
Amorfiset polymeerit
-Ei järjestäytynyttä rakennetta
joka voisi kiteytyä
-Esim. polystyreeni (PS)
Kuvat:http://www.helsinki.fi/kemia/opettaja/aineistot/m
uovit2/muovilaadut/polystyreeni/index2.htm
15.10.2015
9
Polymeerien muutoslämpötilat
Sulamispiste, Tm
• Kiderakenteen purkautuminen
lämmitettäessä = sulaminen
Lasiutumislämpötila, Tg
• Amorfisilla polymeereillä lämpötilaa
laskettaessa polymeeri muuttuu
nestemäisestä kumimaiseksi ja
lopuksi kovaksi ja jäykäksi,
lasimaiseksi aineeksi
kristalliitti
amorfinen alue
Nykyinen käsitys polymeerien
kiteisestä rakenteesta
15.10.2015
10
Polymeerien käyttölämpötila-alue
Käyttölämpötila
määräytyy
muutoslämpötilojen
perusteella
15.10.2015
11
Ketjun rakenteen vaikutus kiteisyyteen
Suoraketjuinen kiteytyy helposti
- CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 Polyeteeni
Jos polymeerillä on sivuryhmiä,
sen kiteytymisominaisuudet
riippuvat polymeerin rakenteen
säännöllisyydestä. Kiteytyminen
saattaa olla hidasta.
Polymeeriketjun haarat
estävät myös kiteytymistä
Isotaktinen polypropeeni (yllä) kiteytyy helpommin kuin syndiotaktinen (alla)
15.10.2015
12
Biopolymeerit - yleisimmät
O
•
Alifaattiset polyesterit
•
Tärkeimmät ja tutkituimmat:
Polyglykolidi, polykaprolaktoni ja polylaktidi
•
•
Hyväksytty biomateriaaleiksi

•
FDA = U.S. Food and Drug Administration
HO CH2CO H
n
PGA
O
(CH2)5CO
n
PCL
Hyvät mekaaniset ominaisuudet
O
•
Helppo työstää
•
Käytössä usein myös kopolymeereinä
HO CHCO H
n
CH3
PLA
15.10.2015
13
Biopolymeerit
Monia eri määrittelytapoja:
1. Muoveja, jotka tehdään uusiutuvista raaka-aineista
2. Standardien mukaan hajoavat muovit
2. Biohajoavat muovit, jotka tehdään joko uusiutuvista raaka-aineista tai öljystä
3. Hajoamattomat muovit, jotka tehdään uusituvista raaka-aineista kuten esim.
luonnon kumi, jotkin polyamidit
15.10.2015
14
Biopolymeerien hajoaminen
Hajoaminen (Degradation)
Merkittävä, palautumaton muutos materiaalin rakenteessa
Polymeeriketjujen katkeaminen
→ polymeerin moolimassan muutokset
→ materiaaliominaisuuksien muutokset,
esim. mekaanisten ominaisuuksien heikkeneminen
→ kappaleen fragmentoituminen
15.10.2015
15
Biopolymeerien hajoaminen
Biohajoavat polymeerit
hajoavat biologisessa ympäristössä vaarattomiksi,
pienimolekyylisiksi yhdisteiksi
Biologinen ympäristö:
mikrobit
entsyymit
kosteus
maaperä, vesistö tai ihmisen ja eläimen elimistö
Pienimolekyyliset yhdisteet
15.10.2015
16
Biopolymeerien hydrolyyttinen
hajoaminen
Veden diffuusio polymeeriin
Polymeerin moolimassan pieneneminen
Polymeerin fysikaalisten ominaisuuksien heikkeneminen
Polymeerin massan pieneneminen
Polymeerin hajoaminen oligomeereiksi ja monomeereiksi
O
O
C O
+ H2O
C OH
+ HO
15.10.2015
17
Biopolymeerien täydellinen
biohajoaminen
Polymeeri hajoaa solun ulkopuolisissa ja
sisäpuolisissa toiminnoissa
Aerobiset
olosuhteet
Anaerobiset
olosuhteet
• CO2
• H20
• Uusi biomassa
• CO2/CH4
• H20
• Uusi biomassa
Bioresorboituminen
Materiaalin hajoaminen
fysiologisessa
ympäristössä
Bioabsorptio
Hajoamistuotteiden
poistuminen
aineenvaihdunnan
kautta
15.10.2015
18
Biopolymeerien hajoaminen
Fysikaaliset hajoamismekanismit
A: homogeeninen hajoaminen
B: heterogeeninen hajoaminen
Pinta hajoaa ensin
-> Haluttu ominaisuus monissa
sovelluksissa
15.10.2015
19
Polyesterianhydridi -pintahajoaminen
0h
6h
12 h
18 h
24 h
15.10.2015
20
Biopolymeerien hajoaminen
Pääketjun rakenne vaikuttaa polymeerin hajoamisnopeuteen
15.10.2015
21
Biopolymeerien hajoaminen
Koko
Vaikuttavia tekijöitä
Kun kyseessä sama polymeeri
0h
pH 2.1
6h
12 h
18 h
24 h
Pintarakenne
Polymeerin
hajoamisnopeus
Geometria
pH 6.8
Ympäristötekijät
pH 7.4
pH:n vaikutus hajoamisnopeuteen polyesterianhydridillä
15.10.2015
22
*Tähdellä merkityt
kalvot lisätietoa, ei
tarvitse opetella
Lääkkeen vaiheet *
Valmistuksesta vaikutukseen
Farmakokineettinen
vaihe
Farmaseuttinen vaihe
•
•
•
•
Synteesi
Eristys
Lääkemuoto
Antotavat
•
•
•
•
Imeytyminen
Jakautuminen
Metabolia
Erittyminen
Farmakodynaaminen
vaihe
• Reseptorin
simulaatio
• Vaikutus
Lähde: Lääkeainekemia -kurssi
15.10.2015
23
Lääkkeen vaiheet*
Biologinen hyötyosuus:
= Se lääkeaineen suhteellinen osuus, joka
lääkettä annettaessa siirtyy antopaikasta
systeemiseen verenkiertoon (0-100 %)
Metabolia ennen imeytymistä
-> Biologinen hyötyosuus heikkenee
Suun kautta annosteltavissa lääkeaineissa mahahappo voi
aiheuttaa lääkeaineen hajoamista
• Tätä voidaan ehkäistä suojaamalla lääkeaine esimerkiksi
päällystämällä tabletti tai suojaamalla lääkeaine polymeerimatriisin
sisään
Lähde: Lääkeainekemia -kurssi
15.10.2015
24
Lääkkeen vaiheet
Terapeuttinen leveys / alue / ikkuna
=lääkeaineen pitoisuusalue, jossa
sillä on hyvä terapeuttinen vaikutus
ilman haitallisia sivuvaikutuksia
(suurimman ja pienimmän
hoitoannoksen suhde)
A, B ja C ovat eri valmisteita.
Mikä niistä on käyttökelpoisin
valmiste?
Lähde: Lääkeainekemia -kurssi
15.10.2015
25
Mihin kontrolloitua lääkeainevapautusta
tarvitaan?
Kontrolloitu annostelu:
• Ajan suhteen
• Paikan suhteen
Perinteisesti lääkeaine
annostellaan suun kautta,
injektioina suoneen tai emulsioina
• Nostaa nopeasti
lääkeainepitoisuutta veressä
• Hetkellinen
15.10.2015
26
Syitä uusien annostelumenetelmien
tutkimukseen
-
Turvallisuuden ja tehokkuuden
lisääminen
- Jatkuva / jaksottainen vapautuminen
→ vaikutus terapeuttiseen vasteeseen
- Peptidien, proteiinien ja geenien
annostelu
- Pienemmät valmistuskustannukset
- Materiaalitieteen ja bioteknologian
kehitys
Uudet annostelumenetelmät vs. uudet
lääkemolekyylit
Kustannukset: 20-50 / 500 milj.€
Aikajänne: 3-4 / 10-12 vuotta
15.10.2015
27
Lääkevalmisteille asetettavat tavoitteet
Lääkeaineen säädelty vapautuminen
• pitkävaikutteiset injektiopartikkelit
• implantaatit
Lääkeaineen kohdentaminen
• soluun kulkeutuvat nanopartikkelit
Vaihtoehtoiset annostelureitit
• peptidit, proteiinit, geenit (partikkelit)
• rokotteet (partikkelit)
15.10.2015
28
Kontrolloitu lääkeaineen vapautuminen:
edut ja haasteet
Tavoitteet:
- pidennetty hoitojakso
- kohdennettu hoito
Etuja:
•
•
•
•
parempi lääkeaineen tehokkuus
pienemmät sivuvaikutukset
parempi potilaan hoitomyönteisyys ja hoitomukavuus
biohajoavat polymeerit: annostuslaitteen poistuminen elimistöstä
Haasteita:
• lääkeaineen annostelua ei voida muuttaa implantin asettamisen
jälkeen
• Mikäli tulee tarve poistaa implantti, poistaminen saattaa olla
hankalaa, jos biohajoava polymeeri
• tasainen pitoisuus voi aiheuttaa lääkeaineelle herkistymistä tai
vaikutuksen heikkenemistä tottumisen myötä
15.10.2015
29
Polymeeriset lääkeainevapautussysteemit
A: Lääke polymeerikuoren sisällä
B: Lääke tasaisesti sekoitettuna (liuotettu tai
dispergoitu) polymeeriin
C: Lääke vapautuu polymeerin hajotessa
D: Lääke on sidottu polymeerin runkoon
E: Lääke vapautuu polymeerin turpoamisen
vaikutuksesta
F: Lääke vapautuu polymeerin huokosista
G: Lääke vapautuu osmoottisesti
H: Lääke vapautuu magneettikentän
ohjaamana
Langer, R., New methods for drug delivery, Science, 249
(1990), 1527-1533.
15.10.2015
30
Biohajoavat polymeerit kaupallisissa
lääkevalmisteissa
Eturauhassyöpä,
aivosyöpä
Alkoholiriippuvuus
Kasvuhormonin
puute ja supressio
Periodontaaliset
sairaudet,
skitsofrenia
Josefin Söderman, Release of model drugs with different solubilities from polylactone
based degradable polymer matrices, Master’s thesis, Aalto University, School of
Electrical Engineering, 2012, p. 32.
15.10.2015
31
Biohajoavat polymeerit kaupallisissa
lääkevalmisteissa
Polyanhydridi - aivosyöpä
http://gliadel.com
15.10.2015
32
Biohajoavat polymeerit kaupallisissa
lääkevalmisteissa
Poly-(D,L-lactide-co-glycolide) – eturauhassyöpä
Neulan sisähalkaisija 1,4 mm
15.10.2015
33
http://www.laakeinfo.fi/Medicine.aspx?m=945&i=SANOFI_SUPREFACT+DEPOT
Biohajoavat polymeerit kaupallisissa
lääkevalmisteissa - Raskaudenehkäisy
Capronor®
PCL:stä valmistettu ehkäisyhormonia vapauttava biohajoava kapseli.
Lääkkeen annostelu:
Lääkeaine (levonorgestreeli) vapautuu ensin ja kapseli hajoaa vasta
myöhemmin eli PCL:n hajoaminen ei vaikuta lääkeaineen vapautumisen
kinetiikkaan.
Ei kaupallisesti saatavilla
15.10.2015
34
Esimerkkejä tuotteista - Raskaudenehkäisy
Biostabiileja:
Jadelle® (Bayer Oy)
Käytössä Suomessa
Vaikuttava aine levonorgestreeli
2 polydimetyylisiloksaani+kolloidinen piidioksidi implantaattia
Pituus 43 mm, halkaisija 2,5 mm
Käyttöaika 5 v jos paino alle 60 kg
Implanon® (Merck & Co)
Vaikuttava aine etonogestreeli
Etyleeni-vinyyliasetaatti kopolymeeri + barium sulfaatti
Kayttöaika 3 v
Pituus 40 mm, halkaisija 2 mm
Kuvat http://www.implanon-usa.com
15.10.2015
35
Esimerkkejä tuotteista - Sepelvaltimostentti
Biostabiili:
Cypher TM Sirolimus-eluting
Coronary Stent
• Ruostumatonta terästä
• Lääkeaine vapautuu
polymeeripinnoitteesta
• Rajoittaa normaalin kudoksen
liikakasvua pallolaajennuksen
jälkeen
http://www.cordislabeling.com/pdf/3912376_1.pdf
15.10.2015
36
Lääkeaineenvapautumiseen vaikuttavia tekijöitä
Lääkeaine: molekyyli, peptidi, proteiini
•
•
•
Ominaisuudet (Mw, log P, pKa-arvo, liukoisuus)
Farmakokineettiset parametrit (absorptio, jakautuminen, eliminaatio)
Annostelusysteemin valmistusprosessi (liuotin, lämpötila, pH)
Polymeeri
•
•
•
stabiili / bioresorboituva
prosessoitavuus, modifiointi
koostumus, kiteisyys, moolimassa, hajoamismekanismi ja –nopeus, huokoisuus
Terapeuttinen järjestelmä
•
•
tyyppi (kapseli / matriisi)
geometria ja dimensiot (kalvo, kappale, mikropartikkeli jne.)
15.10.2015
37
Lääkeaineen vapautumista säätelevät mekanismit ja
niitä kuvaavat matemaattiset mallit
•
•
•
Diffuusio (B)
Turpoaminen (E)
Eroosio (C)
Lääkeaine harvoin vapautuu puhtaasti yhden mekanismin perusteella.
Useita matemaattisia malleja on kehitetty kvantitatiivisen datan tulkitsemiseksi. Perustuvat
Fickin toiseen lakiin, joka ennustaa, miten diffuusio vaikuttaa konsentraation muutokseen.
•
•
Higuchin yhtälö
Power law
Wise: Handbook of Pharmaceutical Controlled Release
Technology, 2000
15.10.2015
38
Diffuusioon vaikuttaa
1. Fickin toinen laki
2. Valmisteen geometria (diffuusiomatka)
𝝏∅
𝝏𝟐
=𝑫 𝟐
𝝏𝒕
𝝏𝒙
missä
∅ on konsentraatio (esim. mol/m^3)
t on aika [s]
D on diffuusiokerroin (esim. m^2/s)
x on sijainti (pituus) (esim. m)
3. Diffuusionopeuden muutos ajan funktiona
• ei-turpoava: D vakio
• turpoava: veden määrä vaikuttaa, D ei ole vakio vaan kasvaa veden määrän
lisääntyessä
4. Polymeerin lasisiirtymälämpötila (Tg)
• T < Tg : diffuusio hidasta
• T> Tg: diffuusio nopeaa
• vesi alentaa polymeerin Tg-arvoa
15.10.2015
39
Lääkeaineen vapautuminen turpoavasta
polymeeristä
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Polymeerin ja veden rajapinnassa konsentraatiogradientti, mikä aiheuttaa veden
tunkeutumisen valmisteeseen
valmisteen geometria
Polymeeri turpoaa, sen ominaisuudet muuttuvat ja valmisteen dimensiot muuttuvat.
Lääkeaine liukenee veteen ja diffundoituu pois.
Lääkeaineen diffuusionopeus kasvaa ajan funktiona (veden määrä lisääntyy).
Jos lääkeaine liukenee huonosti veteen, polymeerimatriisissa on liuennutta ja
liukenematonta lääkeainetta. Vain liuennut diffundoituu.
Valmisteen huokoisuus lisääntyy ajan funktiona, jos lääkeainetta paljon valmisteessa
lähtötilanteessa.
Polymeeri liukenee hitaasti tai nopeasti – polymeeristä riippuen.
Wise: Handbook of Pharmaceutical Controlled Release
Technology, 2000
15.10.2015
40
Polymeerin eroosion kontrolloima
lääkevapautus
Homogeeninen
hajoaminen (Bulk-eroosio)
Schmitt ym. J. Pharm. Sci.
82: 326-329, 1993
15.10.2015
41
Polymeerin eroosion kontrolloima
lääkevapautus
Pintaeroosio
(heterogeeninen hajoaminen)
Kirjasta Chasin ja Langer: Biodegradable Polymers
as Drug Delivery Systems, 1990, ss. 43-69.
15.10.2015
42
Higuchin yhtälö (diffuusio mekanismi)*
Mt/A = (D (2Co – Cs) Cs t)1/2
• Mt/M∞ = k (t)1/2
where Mt an M∞ are the cumulative absolute amount of drug
released at time t and infinite time, respectively, A is the
surface area of the controlled release device exposed to the
release medium, D is the drug diffusivity in the polymer carrier,
and Co and Cs are the initial drug concentration, and the
solubility of the drug in the polymer, respectively.
Wise: Handbook of Pharmaceutical
Controlled Release Technology, 2000
15.10.2015
43
Higuchin yhtälön oletukset*
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Co >> Cs
diffuusio tapahtuu yhteen suuntaan
lääkeainehiukkasten halkaisija on paljon pienempi kuin
valmisteen paksuus
polymeeri ei turpoa eikä liukene
lääkeaineen diffuusiovakio ei muutu ajan funktiona
sink – olosuhteet (eli liuennen lääkeaineen määrä noin 5 – 10%
kokonaisliukoisuudesta)
Wise: Handbook of Pharmaceutical
Controlled Release Technology, 2000
15.10.2015
44
Power law*
Mt/M∞ = k tn,
•
Mt and M ∞ are the absolute cumulative amount of drug released at time t and
infinite time, respectively; k is a constant incorporating structural and geometric
characteristics of the device, and n is the release exponent, indicative of the
mechanism of drug release.
•
jos n = 0,5, niin diffuusio kontrolloi lääkeaineen vapautumista ohuesta filmistä
(sylinteri, n = 0,45; pallo, n = 0,43)
jos n = 1,0 ja turpoava polymeeri, niin polymeerin turpoaminen kontrolloi
lääkeaineen vapautumista ohuesta filmistä (sylinteri, n = 0,89; pallo, n = 0,85).
– case II vapautuminen: polymeeriketjujen relaksaatio veden vaikutuksesta
vapautumista säätelevä tekijä
jos n = 1,0 ja erodoituva polymeeri, niin polymeerin eroosio kontrolloi lääkeaineen
vapautumista (pinta-eroosio)
jos n = 1,0 ja polymeeri ei turpoa eikä erodoidu, niin konsentraatiogradientti ja
diffuusiomatka vakioita (lääkeaineen vapautuminen noudattaa 0-kertaluvun
kinetiikkaa)
jos 0,5 < n < 1,0, vapautumista säätelee useampi tekijä
•
•
•
•
Wise: Handbook of Pharmaceutical
Controlled Release Technology, 2000
15.10.2015
45
Vapautumismekanismi*
Mt/Mtotal = ktn
• log (vapautunut fraktio) vs log (aika) -kuvaaja
– kulmakerroin = n
• Turpoavat polymeerit
– n = 0.45; diffuusio (ajan neliöjuuri -kinetiikka)
– n = 0.45-0.8; epäsäännöllinen kinetiikka
– n = 0.89; 0-kertaluvun -kinetiikka
•
Ei- turpoavat polymeerit
– n <0.5; huokoinen valmiste
– n = 0.5; diffuusio (ajan neliöjuuri –kinetiikka)
– n = 0. 5-0.9; epäsäännöllinen kinetiikka
– n = 1.0; 0-kertaluvun kinetiikka
15.10.2015
46
Lääkeaineen vapautuminen ja kinetiikka*
•
Ajan neliöjuuri –kinetiikka
– vapautuminen lineaarista
ajan neliöjuuren suhteen
•
0-kertaluvun kinetiikka
– vapautuminen lineaarista
ajan suhteen
•
1-kertaluvun kinetiikka
– log (vapautunut) lineaarista
ajan suhteen
15.10.2015
47
In vivo vs. in vitro
In vitro
Kirjaimellisesti ”lasissa”
Kokeet tehdään eliön ulkopuolella esimerkiksi koeputkessa
Ensimmäiset testit uudelle polymeerille in vitro
• Biohajoamisen tutkiminen esimerkiksi SBF (simulated body fluid) –
liuoksessa
• Sytotoksisuus, solukokeilla
vrt. in vivo
Eläinkokeet ja kliiniset testit
15.10.2015
48
Hydrolyyttisen hajoamisen tutkiminen in vitro
Polymeerin analysointi:
- visuaaliset havainnot (SEM)
- painon muutos (punnitus)
- moolimassan muutos (SEC)
- mekaanisten ominaisuuksien testaus
(esim. veto- ja taivutustestit)
- kiteisyyden muutokset (DSC)
- hydrofiilisyys (kontaktikulmamittaus)
- rakenne (NMR, FTIR)
ISO 15814: 1999(E)
Implants for surgery – Copolymers and
blends based on polylactide – In vitro
degradation testing
Lääkeaineen vapautumisen tutkiminen in vitro
1. Lääkevalmiste upotetaan puskuriliuokseen
2. Vapautuneen lääkeaineen määrää mitataan yleisimmin
•
•
Spektrofotometrillä
Nestekromatografialla
Tässä työssä käytetään ultravioletin ja näkyvän valon aallonpituusalueella toimivaa
spektrometriä. Spektrometri mittaa absorbanssia ja mitä enemmän absorboivaa
ainetta liuoksessa on, sitä voimakkaammin se absorboi valoa.
Lähde: Tapani Isoaho, Polymeereistä vapautuvan
lääkeaineen tutkimusmenetelmät, kandidaatintyö, 2015.
Vapautuneen lääkeainepitoisuuden
määrittäminen UV-Vis-spektrometrin avulla
Määritetään malliaineelle
karakteristiset absorbanssit
UV-spektrometrillä
Tehdään kalibrointikäyrä eri
malliainepitoisuuksia
käyttäen. Vapautuneet
malliainepitoisuudet
määritetään eri aikapisteissä
kalibrointisuoran avulla.
15.10.2015
51
Laboratorioharjoitukset
Laboratoriotyön ajankohdan varaaminen
MyCources: https://mycourses.aalto.fi/mod/scheduler/view.php?id=44246
Harjoitustyön sisältö
Ennakkotehtävä
Laboratorioharjoitus 6h
Ryhmäraportti, arvosana
Mittausdata ja raportit MyCourses
Tarvittavat suojavarusteet saatte lainaksi
Työn ohjaaja: DI Sanja Asikainen, [email protected]
puh: 040 847 4408 (Labrojen aikana tai juuri ennen)
15.10.2015
52
Tapaamispaikka:
Pääaula, Kemistintie 1
15.10.2015
53
Laboratoriotyön kuvaus
Valmistautuminen
1. Tutustu työohjeeseen
2. Tee esitehtävä
3. Tutustu lisämateriaaleihin
Materiaalit ovat MyCourses –järjestelmässä viimeistään perjantaina 16.10.
Laboratoriotöihin ilmoittautuminen on auki. Vapaita paikkoja (14.10.) on
To 5.11. (4 paikkaa)
To 12.11. (1 paikka)
To 19.11. (4 paikkaa)
To 26.11. (6 paikkaa)
Kaikissa aika on klo 12-18. Ryhmän minimikoko 4 opiskelijaa.
15.10.2015
54
Laboratoriotyön kuvaus
Laboratoriotyöskentely, 6h
Lyhyt alkukuulustelu perustuen erityisesti luennon tietoihin (jokainen valmistautuu vastaamaan)
Esitehtävän tarkistus
Tutustuminen käyttöturvallisuustiedotteisiin laboratoriossa työn aluksi
Tutustuminen analyysimenetelmiin
•
UV-Vis-spektrometria (lääkeaineen vapautuminen)
•
Differentiaalinen pyyhkäisykalorimetri (DSC)
(termoanalyysi)
•
Termogravimetrinen analyysi (TGA)
•
Kokoekskuusiokromatogragia (SEC) (moolimassat)
•
pH-mittaus
•
Geelipitoisuusmääritys (ristisilloittumisen
onnistuminen)
•
NMR, IR (molekyylin rakenne)
Laboratoriotyöskentely
• Kalibrointiliuosten valmistus ja kalibrointisuoran
piirtäminen lääkeainevapautusta varten
• Hydrolyysikokeiden tekeminen
• Lääkeaineen vapautumisen mittaaminen
• pH-mittarin kalibrointi ja liuosten mittaus
• Hydrolyysissä olleiden näytteiden kuvaus mikroskoopilla
• Näytteiden teko ja mittaus DSC:llä ja IR:llä
• Geelipitoisuusmääritysten teko
15.10.2015
55
Käytettävä polymeeri
Ristisilloitettava polyesterianhydridi
a) ε-kaprolaktonille suoritetaan
renkaanavaava polymerointi
neliarvoisen polyolin (pentaerytritoli) ja
initiaattorin (SnOct2) läsnäollessa,
jolloin saadaan nelihaarainen
hydroksyylipäätteinen oligomeeri.
b) Funktionalisointi
meripihkahappoanhydridillä. Saadaan
liitettyä oligomeeriin labiili anhydridisidos.
Lähde: Risto Hakala, Crosslinked poly(ester anhydrides) for
controlled drug delivery, väitöskirja, 2013. Saatavilla
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-4974-8
15.10.2015
56
Käytettävä polymeeri
Ristisilloitettava polyesterianhydridi
c) Funktionalisointi metakryylianhydridillä.
Saadaan oligomeeriin reaktiiviset
kaksoissidokset.
d) Metakryloitu prepolymeeri kovetetaan
valon ja valoinitiaattori kamferikinonin
(CQ) avulla.
Lähde: Risto Hakala, Crosslinked poly(ester anhydrides) for
controlled drug delivery, väitöskirja, 2013. Saatavilla
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-4974-8
15.10.2015
57
Tutkittavat valmisteet
Malliaine: Propranolol HCL
-
Vesiliukoinen molekyyli (50 mg/ml, pH 7.4)
Huoneenlämmössä valkoinen jauhe
Sulamispiste 163-166 ºC
Tiheys 1,09 g/cm3
Moolimassa 295,81 g/mol
Toiminta: Beetasalpaaja
15.10.2015
58
Tutkittavat valmisteet
Malliaine: L-glutamiini
-
Vesiliukoinen molekyyli (14,6 g/l ssä 20 ºC - täysin liukeneva)
Huoneenlämmössä valkoinen jauhe
Sulamispiste 185 ºC
Moolimassa 146,14 g/mol
Toiminta: aminohappo
Malliaine seostetaan nestemäisen oligomeerin kanssa ja ristisilloitetaan valon avulla
napeiksi. Näytteet on tehty valmiiksi. Näytteet hajoavat veden vaikutuksesta.
Lääkeaineen vapautuskokeet suoritetaan puskuriliuoksessa pH 7,4; 6,8; 6.2 ja 2,1.
Malliaineen vapautumista väliaineeseen seurataan ajan funktiona UV-spektrometrin avulla.
15.10.2015
59
Raportointi
Raporttipohja löytyy MyCourses-järjestelmästä.
Raportti palautetaan MyCourses –järjestelmään, DL 20.12.
Mittausten tulokset päivitetään MyCourses –järjestelmään perjantaina 27.11. sitten kun
kaikki mittaukset on tehty. Raportissa hyödynnetään jokaisen ryhmän tekemiä mittauksia ja
saatuja tuloksia vertaillaan keskenään.
Loppuraporttia kannattaa alkaa tehdä heti laboratoriotyön jälkeen, sillä siinä kysytään
esimerkiksi polymeerien perusteista ja analyysimenetelmistä, joita käydään läpi luennolla ja
laboratorioharjoituksessa.
15.10.2015
60
Harjoituksen arviointi
Ryhmäraportti
•
•
•
•
Yhteinen arvosana asteikolla 1-5
Raportin jokainen osa arvioidaan erikseen ja loppuarvosana on näiden keskiarvo
Arviointiin vaikuttaa myös työskentely laboratoriossa (+alkukuulustelu, esitehtävä ja ajoissa labraan
saapuminen)
Sisältää ryhmän itsearvioinnin ja perustellun arvosanaehdotuksen
15.10.2015
61
Työn arvosteluperusteita
Hyväksyttävään suoritukseen vaaditaan (arvosanat 1 ja 2): Työt tehty työturvallisuus huomioiden & raportti kirjoitettu
Laboratoriotöiden suorittamisen perusedellytyksenä on turvallisten työtapojen tunteminen ja niiden noudattaminen. Kokeiden suorittaminen
ja saadut tulokset raportoidaan työselostuksessa.
Perussuoritukseen vaaditaan (arvosana 3): Asioiden ymmärtäminen ja sujuva raportointi
Arvosanaan kolme vaaditaan työturvallisuuden sekä laitteistojen ja kemikaalien tuntemuksen lisäksi teorian ymmärtämistä ja soveltamista
kokeelliseen työhön. Tähän kuuluu saatujen koetulosten arviointi ja niiden perusteella tehtävät päätelmät. Arvioinnissa huomioidaan lisäksi
työn sujuvuus ajankäytön sekä ryhmätyöskentelytaitojen osalta.
Kiitettävään suoritukseen vaaditaan (arvosanat 4 ja 5): Tiedon arviointi ja soveltaminen
Kiitettävä suoritus edellyttää käytettävien laitteistojen ja menetelmien ymmärtämistä sekä niiden mahdollisten virhelähteiden huomioimista.
Lisäksi tarvitaan käytännössä mitattavien ilmiöiden ja teorian välisen syy-seuraus-suhteen ymmärtämistä. Tämä näkyy sujuvan
työskentelyn lisäksi erityisesti työselostuksessa esitetyissä havainnoissa ja pohdiskeluissa sekä tulosten kriittisessä tarkastelussa.
Kiitettävä arvosana edellyttää hyviä ryhmätyötaitoja.
Kunnolliseen raportointiin kuuluu lähdeviitteiden merkintä.
15.10.2015
62
Lisätietoa mm.
http://ijps.aizeonpublishers.net/content/2012/4/ijps112-116.pdf
Mahammad Rafi Shaik1, Madhuri Korsapati and Dinakar Panati, Polymers in Controlled Drug Delivery
Systems, Vol. 2, No. 4 (2012): 112-116
http://ijps.aizeonpublishers.net/content/2012/4/ijps112-116.pdf
New methods of drug delivery. Robert Langer
Lisäksi esityksessä on lähteitä ja MyCourses-sivuilla on suomenkieliset oppikirjatekstit kontrolloidusta
lääkeannostelusta ja biohajoamisesta sekä kandidaatintyö lääkeaineen vapautumisen tutkimisesta.
* Tähdellä merkityt sivut ovat lisätietoa, jota ei tarvitse opetella laboratoriotyön suorituksessa.
15.10.2015
63
Tervetuloa labraan!
15.10.2015
64