RO129066B1 - Procedeu de obţinere a noi hidrogeluri superabsorbante pe bază de xantan şi lignină, din plante anuale, cu aplicabilitate în medicină şi industria alimentară - Google Patents

Description

Orice persoană are dreptul să formuleze în scris și motivat, la OSIM, o cerere de revocare a brevetului de invenție, în termen de 6 luni de la publicarea mențiunii hotărârii de acordare a acesteia

RO 129066 Β1

Invenția de față se referă la un procedeu de obținere a unor hidrogeluri pe bază de amestecuri de materiale polimerice de tip polizaharide naturale, cum ar fi xantanul și lignina din plante anuale, cu proprietăți de materiale superabsorbante și care se pot folosi ca matrici transportoare pentru eliberarea controlată a principiilor active.

Cu toate că obținerea și caracterizarea hidrogelurilor pe bază de polimeri naturali au fost intens studiate în literatura de specialitate, există totuși puține studii cu referire la materiale superabsorbante pe bază de xantan/lignină, brevet RO 123275 B1/2011.

Invenția de față este complementară cu invenția conform brevetului RO 123275 B1/2011.

Un dezavantaj în obținerea hidrogelurilor pe bază de xantan și lignină, obținute în urma reticulării cu epiclorhidrină, este legat de gradul de toxicitate mare al acestui agent de reticulare, dar și de procedeul de purificare care necesită aplicarea mai avansată, cu consum mare de energie și manoperă.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția de față constă în stabilirea unui procedeu de obținere a unor hidrogeluri cu capacitate mare de umflare, pe bază de xantan și lignină din plante anuale, reticulate cu poli (propilen glicol) diglicidil eter (PPDGE) - agent de reticulare netoxic, fără impact asupra mediului, evitându-se astfel procedeul de purificare, în același timp realizându-se îmbunătățirea proprietăților de eliberare a principiilor active înglobate în aceste matrici de hidrogel superabsorbant. Se obține un biomaterial cu proprietăți superabsorbante, prietenos omului și mediului înconjurător, cu o gamă largă de aplicații în domeniul farmaceutic, medical și alimentar, în compoziția căruia se regăsește lignina, ca resursă naturală, regenerabilă și biodegradabilă, cu proprietăți antioxidante. Astfel, se rezolvă atât problema unui consum mare de energie și manoperă, cât și cea a toxicității metodei și reactivilor utilizați în cazul procedeelor cunoscute de reticulare chimică, obținându-se un nou tip de hidrogel bicomponent, format numai din polimeri naturali, nestudiat până în prezent, care prezintă un grad mare de biocompatibilitate, biodegradabilitate și reciclabilitate.

Valorificarea proprietăților speciale ale xantanului au ca rezultat o multitudine de direcții de utilizare, cum arfi în domeniul biomedical [J. Fan, K. Wang, M. Liu, Z. He, “In vitro evaluations ofkonjac glucomannan andxanthan gum mixture as the sustained release material of matrix tabiet”, Carbohydrate Polymers, 73(2), 241-247, 2008], în industria farmaceutică [E. Chornet, S. Dumitriu, US 6964772, 2005; R. C. Rowe, P. J. Sheskey, P. J. Weller, “Xanthan gum”, în “Handbook of Pharmaceutical Excipients”, 4^th ed. The Pharmaceutical Press, London, pp. 691-693, 2003], cosmetică [T. W. Son, Y. H. Kim, H. O. Yoo, US 6551606, 2005] și alimentară [E. J. Roos, Μ. E. Schiller, US 5840338,1998; S. Simsek, “Application of xanthan gum for reducing syruping in refrigerated doughs”, Food Hydrocolloids, 23 (8), 2354-2358, 2009;

I. E. Răschip, E. G. Hitruc, A. M. Oprea, M.-C. Popescu, C. Vasile, “In vitro evaluation of the mixed xanthan/lignin hydrogels as vanillin carriers”, Journal of Molecular Structure, Voi. 1003(1-3), 67-74,2011],

Procedeul de obținere a unui hidrogel bicomponent superabsorbant pe bază de xantan și lignină constă în aceea că se amestecă sub agitare continuă cantitățile necesare pentru obținerea unui hidrogel cu compoziția 70% xantan și 30% lignină din plante anuale, la care se adaugă mediul de reacție cu compoziția 5% NaOH, 53,84% H₂O, și 41,16% poli (propilen glicol) diglicidil eter; astfel, conținutul de polimeri naturali în amestecul de reacție menționat, care conține reticulant, este de 4%. Reticularea amestecului rezultat are loc timp de 8 h, la 80°C, obținându-se un hidrogel care se spală apoi repetat cu apă caldă și apă rece, și se usucă prin liofilizare la - 53°C și 15 Pa, rezultând un produs cu capacitate de umflare de 2302%.

RO 129066 Β1

Procedeul de obținere a unui sistem pentru eliberarea controlată a vanilinei constă 1 în obținerea unui hidrogel care conține xantan, lignină și poli (propilen glicol) diglicidil eter, conform procedeului mai sus detaliat, urmată de încărcarea acestui hidrogel cu vanilină, prin 3 amestecarea lui sub formă de pudră cu 5 mg/g vanilină și adăugarea de 0,4 ml apă bidistilată, urmată de umflarea hidrogeluIui în soluția de vanilină timp de 1 h, la temperatura 5 camerei.

Aplicarea invenției de față prezintă următoarele avantaje: 7

- utilizarea polizaharidei xantan, ce prezintă o bună biocompatibilitate, biodegradabilitate, nu este toxică, prezintă capacitatea de a forma rețele tridimensionale, fiind în 9 același timp și un material ușor de obținut la costuri relativ scăzute;

- utilizarea ligninei alături de alți polimeri naturali poate fi o alternativă pentru crearea 11 de materiale cu proprietăți antimicrobiene. Lignina prezintă structură polifenolică și proprietăți de antioxidant, stabilizator și antimicrobiene, și este un material ieftin, care se găsește în 13 cantități uriașe în natură;

- obținerea hidrogelurilor se realizează prin procedee simple, care nu implică 15 utilizarea unor substanțe chimice toxice și scumpe;

- reticularea xantanului cu lignină, în prezență de polipropilen diglicidil eter, conduce 17 la hidrogeluri sub formă de filme care prezintă grade foarte mari de umflare și se comportă ca transportori pentru eliberarea controlată a principiilor active înglobate în acestea; 19

- produsul finit este netoxic, ușor de manipulat, și se pretează la aplicații în domeniul medical și alimentar. 21

Hidrogelurile sunt structuri polimerice reticulate, care se umflă în prezența apei, realizate prin reticularea covalentă a unuia sau a mai multor polimeri, sau prin intermediul 23 unor forțe de coeziune între lanțuri, cum ar fi cele electrostatice, legături de hidrogen sau interacțiuni de tip Van der Waals. în general, cantitatea de apă reprezintă mai mult de 20% 25 din greutatea totală a hidrogelului. în cazul în care conținutul de apă depășește 95% din greutatea totală, hidrogelul se numește superabsorbant. 27

Individualizarea hidrogelurilor de alte biomateriale se face pe baza următoarelor aspecte: 29

- au volum și formă proprie;

- sunt, în general, medii transparente (incolore sau colorate); 31

- sub acțiunea căldurii (uscare) are loc o pierdere accentuată de masă, însoțită de o puternică contracție a volumului; 33

- la solicitările mecanice reduse au un comportament elastic pronunțat;

- la eforturi de comprimare de volum are loc contracția volumului și creșterea 35 densității.

Guma xantan este o polizaharidă cu masă moleculară mare, obținută prin fermentația 37 unui carbohidrat cu surse naturale de Xanthomonas campestris în cultură pură, purificare prin extracție cu etanol sau 2-propanol, uscare și măcinare. Conține D-glucoză și D-manoză 39 ca unități principale de hexoză, alături de acid D-glucuronic și acid piruvic, și se prepară sub formă de săruri de sodiu, potasiu sau calciu. 41

Caracterul biocompatibil al xantanului face posibilă utilizarea acestuia în medicină și farmacie, ca excipient pentru tablete sau ca înlocuitor de plasmă sanguină. Datorită vitezei 43 mici de dizolvare și degradare, este un suport bun pentru eliberare controlată de principii active [M. Renaud, Μ. N. Belgacem, M. Rinaudo, “Rheological behaviour of 45 polysaccharide aqueous Solutions”, Polymer, 46 (26), 12348-12358, 2005].

RO 129066 Β1

Compus polifenolic cu structură macromoleculară, lignina se constituie într-una dintre cele mai importante componente ale biomasei. După celuloză, lignina este, din punct de vedere al abundenței, al doilea biopolimer existent în natură, reprezentând aproximativ

2x 10¹⁰1 din producția anuală de biomasă terestră, de aproximativ 10¹¹1. Compoziția ligninei variază considerabil în funcție de specia de plantă din care provine.

în funcție de tipurile de subunități din structură, ligninele se clasifică astfel:

- lignina din gimnosperme sau guaiacil lignina (G - lignina) conține predominant unități de tipul G (molid - G:S:H = 94:1:5);

- lignina din angiosperme sau guaiacil-siringil lignina (GS - lignina) conține predominant unități de tipul G și S (fag - G:S:H = 56:40:4);

- lignina din plante anuale sau guaiacil-siringil-p-hidroxifenil lignina (GSH - lignina) conține unități de tipul G, S și Η. [Μ. E. Ignat, L. Ignat, E. Stoica, V. Popa, C. Ciobanu, “Structuri compozite pe bază de polimeri și lignină, în Compozite și nanocompozite polimere”, Ed. C. Ciobanu, C. Koncsag, PIM, 100-154, 2007],

Utilizarea ligninei ca materie primă pentru obținerea altor produse constituie o soluție viabilă de utilizare a acesteia, lignina participând la obținerea de sisteme multicomponente.

Lignina din plante anuale utilizată în acest studiu prezintă compoziția elementară și, respectiv, a grupelor funcționale, după cum urmează: C = 50,15%, H = 5,97%, O = 43,88%, OCH₃ = 14,8%, OH_T = 11,7%, OH_ph = 2,43 mmol/g lignină.

Scopul invenției de față este obținerea de noi hidrogeluri ce conțin xantan și lignină, în ideea de a combina caracteristicile unice ale celor doi polimeri naturali și de a obține materiale cu proprietăți îmbunătățite.

Proprietățile hidrogelurilor pe bază de xantan/lignină au fost evidențiate prin testarea lor ca matrici pentru eliberarea controlată a unui principiu activ ingredient aromă, reprezentantivă fiind vanilina.

Vanilina, eterul monometilic al aldehidei protocatehice, substanță albă sau gălbuie, cristalină, se obține prin extracție din arborele de vanilie Vanilia planifolia și alte specii înrudite.

Vanilina are o largă utilizare ca aromatizant, în special în industria dulciurilor. Industriile înghețatei și ciocolatei folosesc aproximativ 75% din cantitatea de vanilină existentă pe piață ca aromatizant, mici cantități fiind utilizate în industria dulciurilor și a aluaturilor coapte [M. Âvila, M. Zougagh, A. Escarpa, A. Rios, “Supported liquid membrane-modified piezoelectric flow sensor with molecularly imprinted polymer for the determination ofvanillin in food samples”, Talanta, 72 (4), 1362-1369, 2007],

Mai mult, vanilina prezintă proprietăți de antioxidant [A. Tai, T. Sawano, F. Yazama,

H. Ito, “Evaluation of antioxidant activity of vanillin by using multiple antioxidant assays”, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects, 1810 (2), 170-177, 2011], antimutagenice [C. Keshava, N. Keshava, W.-Z. Whong, J. Nath, T.-M. Ong, Inhibition of methotrexate-induced chromosomal damage by vanillin and chlorophyllin in V79 cells. Teratog., Carcinog., Mutagen., 17, 313-326, 1998], și activitate antifungică [P. Cerrutti, S. M. Alzamora, Inhibitoryeffects ofvanillin onsomefood spoilageyeasts in laboratory media and fruit purees, Int. J. Food Microbiol., 29, 379-386, 1996; D. J. Fitzgerald, M. Stratford, M. J. Gasson, A. Narbad, The potențial application ofvanillin in preventing yeast spoilage of ready-to-drink beverages, J. Food Prot., 67, 391-395, 2004]. De asemenea, ea inhibă creșterea în mediul de cultură și în piureul de mere, timp de 40 de zile, atunci când este folosită într-o concentrație de aproximativ 13 mM, a microorganismelor Saccharomyces cerevisiae, Zygosaccharomyces bailii, Debaryomyces hansenii, și Zygosaccharomyces rouxii.

RO 129066 Β1

Se poate spune că vanilina este utilizată în diferite ramuri ale industriei în procente 1 de: 55% în industria alimentară, 30% în industria farmaceutică, 5% în industria cosmetică și altele. 3

Gradele de umflare ale hidrogelurilor au fost calculate cu ecuația din tabel, unde m₀ greutatea hidrogelului uscat (g), iar m - greutatea hidrogelului umflat (g). 5

Tabelului prezintă compoziția și gradele de umflare a celor două hidrogeluri obținute prin reticularea cu diferiți agenți de reticulare. Se observă că hidrogelul obținut prin 7 reticularea cu PPDGE prezintă un grad mai mare de umflare decât cel obținut cu agentul de reticulare EPCI. 9 încărcarea cu principiul activ a hidrogelurilor a fost realizată prin amestecarea acestora sub formă de pudră, utilizând ca mediu de eliberare apa bidistilată. Peste amestecul 11 hidrogel-ingredient aromă se adaugă o anumită cantitate de apă, fiind lăsat la umflare pentru 1 h la temperatura camerei, timp în care principiul activ pătrunde în structura hidrogelului. 13 Probele încărcate cu vanilină sunt uscate prin liofilizare, folosind un dispozitiv de tip Labconco Freezone. Studiul de eliberare a fost realizat folosind un spectrofotometru de tip 15 UV-VIS HP 8450A, concentrația vanilinei în mediul de eliberare fiind determinată la o lungime de undă de 230 nm, folosind o curbă de etalonare trasată în prealabil. 17

Gradele de umflare ale hidrogelurilor obținute prin reticulare cu polipropilen diglicidileter 19 (PPDGE) și epiclorhidrină (EPCI)

Proba	Qmax = (m - m0)/m0 x 100 (%)
70/30 X/GL PPDGE	2302,66
70/30 X/GL EPCI	1452,52

Curbele de eliberare ale vanilinei în apă bidistilată din filmele de xantan/lignină 25 obținute cu agenții de reticulare PPDGE și EPCI sunt prezentate în figură.

Din curbele de eliberare obținute, se evidențiază faptul că procentul de vanilină 27 eliberată scade la hidrogelul obținut, prin reticularea cu polipropilen diglicidil eter. Astfel, la hidrogelul de compoziție 70/30 X/GL reticulat cu epiclorhidrină, se observă un procent de 29 vanilină eliberată de aproximativ 35%, iar pentru compoziția 70/30 X/GL reticulat cu polipropilen diglicidil eter, un procent de aproximativ 28%, într-un interval de 24 h; restul de 31 până la 100% se va elibera odată cu degradarea suportului.

Figura - Curbele de eliberare ale vanilinei în apă bidistilată din filmele de 33 xantan/lignină obținute cu agenții de reticulare PPDGE și EPCI.

în continuare, se prezintă exemplul de realizare a invenției, cu referire și la datele 35 prezentate în tabel, unde sunt date caracteristicile de umflare ale hidrogelurilor pe bază de xantan și lignină cu cei doi agenți de reticulare, și figura, pentru comportarea la eliberare. 37

Exemplu într-un pahar Berzelius se amestecă 0,175 g xantan și 0,075 g lignină din lemn de 39 plante anuale cu 3,3625 ml apă distilată. Se omogenizează amestecul și se adaugă 0,3125 g NaOH, după care se amestecă din nou și se adaugă 2,255 ml polipropilen diglicidil eter 41 (PPDGE), urmate de omogenizarea amestecului. Acesta se întinde între două plăci de sticlă și se supune reacției de reticulare prin încălzire timp de 8 h, la o temperatură de 80°C. Se 43 obține un gel transparent, de culoare ușor maronie, cu compoziția 70% xantan și 30% lignină din plante anuale, având un grad maxim de umflare de 2302%, fiind un gel superabsorbant. 45

RO 129066 Β1 încărcarea cu principiul activ a hidrogelurilor a fost realizată prin amestecarea acestora sub formă de pudră, utilizând ca mediu de eliberare apa bidistilată. Peste amestecul hidrogel3 ingredient aromă se adaugă 0,4 ml apă bidistilată, fiind lăsat la umflare pentru 1 h la temperatura camerei, timp în care principiul activ pătrunde în structura hidrogelului. Rezultă un hidrogel reticulat cu poli (propilen glicol) diglicidil eter, încărcat cu vanilină, care prezintă o eliberare prelungită a principiului activ, procentul de eliberare fiind de aproximativ 28% într-un interval de 24 h, restul de până la 100% fiind eliberat odată cu degradarea hidrogelului care conține doi componenți biodegradabili.

Probele încărcate cu vanilină sunt uscate prin liofilizare timp de 2 h, folosind un dispozitiv de tip Labconco Freezone. Studiul de eliberare a fost realizat folosind un spectrofotometru de tip UV-VIS HP 8450A, concentrația vanilinei în mediul de eliberare fiind determinată la o lungime de undă de 230 nm, folosind o curbă de etalonare trasată în prealabil.

Claims (2)

1. Procedeu de obținere a unui hidrogel bicomponent superabsorbant pe bază de 3 xantan și lignină, caracterizat prin aceea că va cuprinde amestecarea sub agitare continuă a 70% xantan și 30% lignină din plante anuale, la care se adaugă 5% NaOH, 53,84% H₂O, 5 și 41,16% poli (propilen glicol) diglicidil eter, procentul total de polimeri naturali în amestecul de reactivi care conține reticulant fiind de 4%, iar procentele fiind exprimate în greutate, 7 urmată de reticularea amestecului rezultat timp de 8 h, la 80°C, obținându-se un hidrogel care se spală apoi repetat cu apă caldă și apă rece, și se usucă prin liofilizare, rezultând un 9 produs cu capacitate de umflare de 2302%.

2. Procedeu de obținere a unui sistem de eliberare controlată a vanilinei, caracterizat 11 prin aceea că va cuprinde obținerea unui hidrogel care conține xantan și lignină și poli (propilen glicol) diglicidil eterconform revendicării 1, urmată de amestecarea acestui hidrogel 13 cu 5 mg/g vanilină sub formă de pudră, adăugarea de 0,4 ml apă bidistilată, și umflarea hidrogelului timp de 1 h, la temperatura camerei. 15