Способ иммобилизации физиологически активных соединений - RU2189961C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к химии физиологически активных соединений на основе фосфатов с добавлением любых других необходимых компонентов и может быть использовано в фармакологии, медицине, ветеринарии и в сельском хозяйстве.

В фармакологии постоянно разрабатываются лекарственные средства пролонгированного действия или пероральные лекарства, усваивающиеся на заданном участке пищеварительного тракта. Для этой цели чаще всего применяют медленно разрушаемые органические вещества, например, в виде оболочек
Не менее актуальна эта задача в сельском хозяйстве. Ежегодное внесение удобрений не только расточительно, но и экологически вредно, так как не менее 50% удобрений уходит в грунтовые воды и выветривается. Попытки покрывать удобрения полимерными оболочками улучшили ситуацию лишь на 10% за счет снижения выветривания. Другим недостатком такого рода капсулирования является вымывание ферментами животного или растения полезных компонентов при первом повреждении оболочки, что ведет к избыточному насыщении этими компонентами и приносит ущерб объекту. Растения или животный организм накапливают в таком случае избыточное количество нитратов, селена, таллия, свинца и других элементов, что иногда приводит к повреждению паренхимы организма. Введение гормональных препаратов, ускоряющих развитие животных и растений, вызывает международные протесты антиглобалистов против говядины и ряда др. продуктов западных стран. Таким образом, существует необходимость в создании физиологически активных веществ в усвояемой форме с регулируемой скоростью усвоения, поддерживающих в животных и растительных организмах заданный баланс калия, магния, фосфора, бора и микроэлементов без снижения качества продуктов питания.

Известен способ иммобилизации биологических компонентов (а. с. СССР 1594410, G 01 M, 23.09.90, Бюл. 35), включающий приготовление смеси соединений с добавлением иммобилизатора в виде желатина, физическую обработку смеси и формообразование ее в виде покрытия ферментных электродов.

Недостаток способа - низкая стабильность продукта, недостоверность измерений во времени из-за изменения его свойств и малый срок службы вследствие ингибирования поверхностно-активных центров.

Известно принимаемое за прототип свидетельство РФ на полезную модель 9840 от 16.05.1999 г., включающее "выполнение двухслойной гранулы", получаемой из смеси оксидов и фосфорной кислоты "термообработкой в градиенте температур 250-1400^oС с последующей обработкой в режиме, обеспечивающем замещение в наружном слое толщиной 5-50 мкм 5-15% окислов металлов 1-2 групп элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева на молекулы воды". Прототип "обеспечивает трансформацию однородного внутреннего материала двухслойной гранулы в поверхностный слой в течение 1-4 лет в результате послойного, одновременного выхода всех компонентов в раствор".

Однако прототип не предусматривает иммобилизацию микроэлементов (катализаторов) и ферментов на поверхности гранул и образования биохимически активных комплексов на поверхности микронеоднородных гранул в процессе их растворения, а также не предусматривает введение карбонатов, сульфатов, молибдатов, нитратов и других соединений, влияющих на микронеоднородное строение стеклообразных фосфатов.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения физиологически активного вещества пролонгированного действия с авторегулируемым действием в процессе равномерного по времени растворения
Способ обеспечивает длительную иммобилизацию биоактивных соединений микроэлементов за счет использования химически неоднородного иммобилизатора. Способ обеспечивает надежное и длительное лонгирование работы физиологически активной микронеоднородной стеклообразной гранулы.

Поставленная задача достигается тем, что в способе иммобилизации, включающем составление смеси физиологически активных соединений, добавление к ней иммобилизирующего компонента, физическую обработку, формирование смеси в усвояемой форме, в соответствии с настоящим изобретением в качестве иммобилизирующего вещества используют фосфаты и их смеси с карбонатами, сульфатами, силикатами, молибдатами, и нитратами, физическую обработку смеси проводят методом ее расплавления, с получением аморфной стеклообразной массы, которой придают форму гранулированием, дроблением или вытяжкой в волокна диаметром до 2 мм.

Отказ от органического или неорганического иммобилизатора с кристаллической структурой и замена его на неорганический иммобилизатор с аморфной структурой обеспечивает не только сколь угодное лонгирование процесса растворения, но и позволяет реализовать равномерность действия во времени иммобилизированных микроэлементов, что весьма важно во всех вышеупомянутых направлениях использования физиологически активных соединений
К числу микроэлементов, необходимых для развития любых биологических систем, обеспечивающих создание физиологически активных веществ и витаминных комплексов в пищевой цепочке: почвенные микроорганизмы - растения - животные - человек относятся: медь, кобальт, цинк, ванадий, молибден, железо, сера, селен, йод, бор, хром, никель, кремний и др.

Исследование зольных остатков показывает, что концентрация микроэлементов в растениях и животных колеблется в пределах от 0,0005 до 0,2 мас.% При этом разные типы микроорганизмов, растений, животных и даже их отдельные органы накапливают различные микроэлементы. Из этого сделан вывод о том, что они выступают в роли катализаторов биохимических процессов.

Важнейшим условием действия микроэлементов является их доступность, т.е. присутствие в виде активных комплексов. Все ведущие производители удобрений, лекарственных препаратов и пищевых добавок вводят микроэлементы, как правило, в виде солевых добавок - сульфатов, нитратов, хлоридов, хеллатов и т. д. В практике животноводства и птицеводства широко известно применение поликристаллических кормовых фосфатов.

При этом возможны как нежелательные ударные нагрузки на живые объекты, так и быстрое вымывание микроэлементов в процессе растворения без их усвоения.

Принципиальным отличием предлагаемого способа является: составление заданной смеси микроэлементов в соотношениях, определяемых типом биологического объекта. Смесь составляется из силикатов, нитратов, сульфатов и молибдатов железа, марганца, цинка, кобальта, меди и др. Полученная смесь физиологически активных соединений микроэлементов в суммарном количестве до 5 мас.% вводится в расплав мета- и пирофосфатов калия, магния, кальция, который выступает в роли иммобилизующего компонента - аморфной микронеоднородной стеклообразной массы - составляющей 90 мас.%. Все микроэлементы в процессе плавления (при температуре 1000-1350^oС) за счет термического разрушения исходных соединений концентрируются в областях микронеоднородностей. Неоднородное строение является важной особенностью материалов. Вследствие неоднородного строения локальная концентрация микроэлементов существенно превосходит среднюю по составу при синтезе - сегрегация активаторов. Введение в расплав иммобилизирующего компонента наряду с микроэлементами карбонатов, силикатов, боратов, алюминатов и молибдатов в суммарной концентрации до 5 мас. % позволяет влиять на скорость растворения материала и его микронеоднородное строение.

Смесь физиологически активных соединений составляется из неорганических солей катионов микроэлементов, включающих кобальт, цинк, марганец, медь, железо, бор, селен, молибден, ванадий, никель и др. Указанные микроэлементы образуют устойчивые химические солевые соединения в виде карбонатов, нитратов, силикатов, сульфатов, молибдатов, концентрация каждого из указанных микроэлементов в смеси составляет 0,1-1,0%. Суммарное количество микроэлементов составляет 2-5 мас.% по отношению к иммобилизирующему компоненту мета- и пиро- фосфатам калия, кальция и магния. Смесь физически активных соединений чаще всего готовится в азотнокислом водном растворе при рН менее - 3 с последующим добавлением карбонатов и силикатов, повышающих рН до значений более 7, что приводит к образованию нерастворимого осадка. Полученный отфильтрованный и высушенный продукт представляет собой смесь физиологически активных соединений, которая вводится во взаимодействие с иммобилизирующим компонентом в процессе высокотемпературного синтеза.

Предложенный способ предназначен для получения стеклообразного иммобилизатора микроэлементов пролонгированного действия. Назначение и область применения: в качестве кормовой добавки животным, включающей в сбалансированном соотношении макро- и микроэлементы, в качестве удобрения для растений, обеспечивающего автокаталитическое действие в почвенных биохимических процессах и повышение качества сельскохозяйственной продукции, начиная с кормовых продуктов для животных и кончая продуктами питания человека.

Наличие в составе иммобилизующего компонента активных соединений микроэлементов и их концентрация выборочно контролируется спектроскопическим анализом плоскопараллельных образцов на стандартных спектрофотометрах по характерным известным полосам поглощения катионов активаторов. Выход в водные растворы смеси микроэлементов также контролируется взятием проб растворов по спектрам поглощения ионов, гидратированных микроэлементов
Растворение иммобилизующего компонента контролируется по потере веса гранул. Неоднородное строение стеклообразных мета- и пирофосфатов определяется методами малоуглового рентгеновского рассеяния, релеевского и мандельштам-бриллюэновского рассеяния. Развитие неоднородной структуры происходит в расплаве, одновременно с этим устанавливается термодинамическое равновесие по распределению физиологически активных соединений по областям неоднородности.

Время установления равновесия зависит от температуры и давления и контролируется визуально по достижении гомогенности расплава, а также выборочно рентгеноструктурным анализом по достижении рентгеноаморфности. Области неоднородности, обогащенные микроэлементами, характеризуются дисперсией по размерам и структуре и поэтому не могут быть охарактеризованы как индивидуальные химические соединения.

Размер выходящих в раствор цепочечных фосфатов количественно определяется методами бумажной хроматографии. Показано, что при увеличении концентрации кремнезема до 5 мас.% средняя степень полимеризации фосфатов в растворах понижается от 30 до 10 тетраэдров [РO₄] в цепи.

К физико-химическим характеристикам конечного продукта следует отнести: показатель преломления - n_d в интервале 1,480-1,495, плотность - ρ в интервале 2,5-2,8 г/см³, данные рентгенофлуоресцентного анализа, подтверждающие отсутствие кристаллических включений и наличие микроэлементов в заданных концентрациях и экспериментально контролируемая кинетика растворения веса гранул Указанные методы позволяют однозначно контролировать завершение заявленного процесса.

Получение неорганических полимеров переменного состава на основе мета- и пиро- фосфатов элементов первой и второй групп периодической системы и переходных металлов проводили из расплава при 800-1300^oС с введением силикатов, нитратов, молибдатов, сульфатов, боратов, алюминатов в концентрациях до 5 мас.%, что обеспечивало изменение времени растворения областей неоднородности, включающих микроэлементы, по экспоненциальному закону с изменением константы скорости растворения до 5 раз. В качестве исходных веществ использовали фосфорную кислоту концентрацией 35-85% основного вещества, карбонаты и нитраты солей элементов первой и второй группы периодической системы, а также нитраты, силикаты, бораты, молибдаты и сульфаты переходных элементов.

Пример 1
Синтез физиологического активного минерального соединения переменного состава, имеющего микронеоднородную, низкомолекулярную структуру при сохранении макроскопически неупорядоченного строения и рентгеноаморфности проводили в следующей последовательности. Реакционную смесь, включающую ортофосфорную кислоту Н₃РO₄ концентрацией 85-35 мас.%, смешивали с поташем - К₂СО₃ в концентрации 15 мас.%, аппатитовым концентратом 23 мас.%, карбонатом магния 6 мас. %, нитратами, сульфатами и молибдатами цинка, марганца, кобальта, железа, меди - общая концентрация 1% от состава по весу.

Реакционная смесь выдерживалась 5 часов в бумажных пакетах и затем подвергалась термообработке при 350^oС, что приводило к брикетироваиию за 2 часа. Брикеты помещались в высокотемпературную камеру при температуре 900^oС на 1 час. После чего температура поднималась до 1250^oС и образовавшийся расплав выдерживался при этой температуре примерно 3 часа до достижения неупорядоченной неоднородной структуры. По истечении указанного времени расплав гранулировался или отливался в формы, инерционно охлаждался до комнатной температуры и дробился на гранулы 1-5 мм.

Испытания показали, что полученный продукт рентгеноаморфен, характеризуется кинетикой растворения в воде, подчиняющейся закону In р₀/р=kt, где Р₀ - исходный вес, а Р - текущий вес гранул, k - константа скорости растворения, экспоненциально зависящая от температуры, t - время. Время растворения при различных температурах приведено в табл. 1.

При этом на поверхности гранул образуется слой, обогащенный микроэлементами, образующими активные центры. Толщина слоя растет в процессе растворения и за 1 год достигает 1-2 мм за счет избирательного выщелачивания низкомолекулярных группировок. Микрозондовый анализ показывает, что концентрация микроэлементов в областях микронеоднородностей в 3-5 превосходит среднюю по объему
Продукт прошел токсикологическую экспертизу и сертификацию по кинетике растворения (сертификат "Механобр-Аналит" G/13 от 02.02.94 г.).

Проведение во Всероссийском институте растениеводства (ВИР им. Н.И. Вавилова, г. С-Петербург) агрохимических и микробиологических испытаний на дерново-подзолистых почвенных образцах с применением продукта состава (табл. 2) (по рентгенофлуоресцентному анализу, выполненному в "Механобр-Аналит), мас.%, выявило следующие закономерности.

Сильный стимулирующий эффект практически на все группы почвенных микроорганизмов, происходило увеличение численности азотфиксирующих микроорганизмов, амилолитических и протолитических бактерий, увеличение количества грибов, сопровождалось увеличением видового разнообразия.

В почве выявлено присутствие грибов Trihoderma Viridae принимающих участие в разложении органических остатков.

Данные по контролю и опыту на второй год испытаний подтверждают пролонгированность действия продукта.

Пример 2
Метафосфат калия (монофосфат калия) 32 мас.% смешивали с ортофосфорной кислотой 85% - 37 мас.%, аппатитовым концентратом 14 мас.% с доломитовой мукой 14 мас. %, сульфатами железа, меди, цинка, марганца, молибдена, кобальта при суммарном содержании 2 мас.%.

Образовавшаяся смесь делилась на 3 части, в одну из которых - А добавлялось 3% дисиликата натрия, во вторую - Б - 3% алюмината натрия, а в третью - В - 3% буры.

Далее все три смеси помещались в кварцевые тигли и загружались в печь при температуре 900^oС. Затем температура поднималась до 1300^oС. После выдерживания при этой температуре 3 часа образовавшийся микронеоднородный расплав отливался. Испытания на кинетику растворения показали, что смесь А привела к получению рентгеноаморфного продукта со скоростью растворения в два раза большей, чем продукт В, а скорость растворения продукта Б - в 5 раз меньше, чем продута А, что связано с различием по микронеоднородному строению и сегрегации активаторов. Политермические исследования образцов методами комбинированного рассеяния, мандельштам-бриллюэновской спектроскопии и малоуглового рентгеновского рассеяния показали, что полученные высокотемпературным синтезом неорганические полимеры характеризуются неупорядоченностью строения и неоднородностью структуры в связи с замораживанием надмолекулярных группировок, существующих в высокотемпературном расплаве. Вещество, полученное таким способом, обладает избыточной, по сравнению с кристаллами, свободной энергией и находится в неравновесном состоянии.

Катализ комплексными соединениями аналогичен механизму воздействия ферментов. В отличие от иммобилизированных ферментов, искусственно связанных с нерастворимыми в воде носителями - фактически являющимися гетерогенными катализаторами, - авторы предлагают активные мета- и пирофосфаты, иммобилизующие в областях микронеоднородностей микроэлементы.

Полученные соединения использовались с пролонгированным эффектом как для увеличения биомассы микроорганизмов и ускорения их роста, так и для растений в качестве удобрений при управляемом времени растворения от 1 месяца до 5 лет. Токсикологическая экспертиза, проведенная в Институте Токсикологии РАН (г. С-Петербург), показала, что полученные по предлагаемому способу продукты не токсичны и могут использоваться в качестве кормовых добавок и удобрений.

Реферат

Предложен способ иммобилизации физиологически активных соединений микроэлементов, включающий составление смеси этих соединений с добавлением иммобилизатора с последующей физической обработкой смеси и грануляцией готового продукта. Способ основан на применении в качестве иммобилизатора фосфатов и их смесей с молибдатами, карбонатами, сульфатами и нитратами, включающими микроэлементы, с последующей плавкой смеси, получением стеклообразной активной микронеоднородной аморфной массы и ее гранулированием. 2 табл.

Формула