Aalborg universitet Kemi/kemiteknologi

Transkript

1

2 Side 2 af 58

3 Titel: Analyse af kompleksbinding mellem cyclodextriner og alginat Tema: Kemisk ligevægt Projektperiode: P2, forårssemesteret 2014 Projektgruppe: B233b Deltagere: Frederik Grønlund Josefine Karna Corfits Johansen Mia Werner Jensen Mikkel Sandfelt Bødker Rasmus Skov Klitgaard Madsen Vejleder: Kim Lambertsen Larsen Bivejleder: Sara Bjørn Aaen Oplagstal: 8 Synopsis: I dette projekt blev der arbejdet med kombination af cyclodextriner og alginatgeler, samt hvordan disse kompleksbinder sig til hinanden. I analysen blev der lagt fokus på den generelle opbygning af cyclodextriner, alginatgeler, deres evne til at binde til hinanden og hvordan stoffer passerer kroppens forskellige barrierer (farmakokinetik og drug delivery). For at kunne vurderer cyclodextriner og alginatgelens evne til at lave kompleksbindinger mellem dem, blev der lavet følgende forsøg: test af alginats egenskaber m/u cyclodextriner og medikament og faseopløselighedsstudier på CD/alginat komplekset. Der har været vanskeligt at finde konkret teori vedr. disse kompleksbindinger, da dette emne er relativt lidt undersøgt. Ud fra forsøgene blev det vist at SBE-βCD mindskede diffusionen af methylenblåt ud fra alginatkuglen, samt at cyclodextrinerne havde en destabiliserende effekt på 3,6 % natriumalginat. Ydermere blev det vist, at modelstoffet curcumin gjorde gelen med følsom overfor osmotisk kvældning. Ud fra resultaterne blev det konkluderet, at valget af cyclodextrin til forsøgene, har en individuel indvirkning på alginats egenskaber samt på faseopløselighedsstudierne. Sidetal: CD: 1 Afsluttet: 21. maj 2014 Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men offentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med forfatterne. Side 3 af 58

4 Side 4 af 58

5 Forord I vores projekt analyseres op kombinationen af hydrogeler (herunder alginatgel) og cyclodextriner og hvorledes de kompleksbinder med hinanden. Der vil i teksten være angivet kilder i en [tal], som henviser til den samlede bibliografi i kapitel 12 - Bibliografi. I bibliografien vil man kunne finde de fulde oplysninger om kilderne. På cd findes relevante bilag for rapporten, herunder behandling af resultater, APB, forsøgsvejledning og kilderne. Vi vil gerne takke Berit Løkensgard Strand for vejledning vedr. fremstilling af alginatgeler samt udarbejdelse af forsøg. Frederik Grønlund Josefine Karna Corfits Johansen Mia Werner Jensen Mikkel Sandfelt Bødker Rasmus Skov Klitgaard Madsen Forkortelser anvendt i rapporten ADME - Absorption distribution, metabolism og ekskretion G-blokke α-l-guluronat GIT - Gastrointestinaletragt HP-βCD - Hydroxypropyl beta cyclodextrin M-blokke 1,4 β-d-mannuronat MS - Multiple sklerose NIBIB - National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering PEG - Poly(ethylenglycol) RAME-βCD - Randomly methylated beta cyclodextrin SBE- βcd - Sulfobutyl ether beta cyclodextrin Ordet skrives fuldt ud første gang det præsenteres, med forkortelser i parentes, og sidenhen kun forkortelsen. Side 5 af 58

6 Side 6 af 58

7 Indholdsfortegnelse Forord Indledning Problemdokumentation Problemanalyse Farmakokinetik Drug delivery Hydrogeler Alginater Struktur Egenskaber Molarmasse og viskositet Produktion og udvinding af alginater Krydsbindinger af alginat Ionisk krydsbinding Kovalent krydsbinding Alginatgeler i drug delivery Drug release Drug delivery (til oralt medicin) Behandling af sår Cyclodextriner Problemafgrænsning Problemformulering Teori bag forsøg Cyclodextriner RAME-βCD SBE-βCD HP-βCD Curcumin Forsøg 1: faseopløselighedsstudier Formål Anvendt apparatur Kemikalier Side 7 af 58

8 6.4 Metode Isosbestisk punkt Faseopløselighedsstudier Resultater Isosbestisk punkt Faseopløselighedsstudier Forsøg 2: Alginat - stabilitet og swelling Formål Anvendt apparatur Kemikalier Metode Fremstilling af alginatkugler Stabilitetstest/stresstest Swellingstest Resultater Stresstest Swellingstest Diskussion/delkonklusion Forsøg 3: Alginat - diffusion Formål Anvendt apparatur Kemikalier Metode Resultater Diskussion/delkonklusion Diskussion Konklusion Perspektivering Bibliografi Side 8 af 58

9 1 Indledning Moderne medicin udnyttes ikke tilstrækkeligt i forhold til det potentiale, det har. Dette skyldes at medicin der optages, ikke nødvendigvis rammer specifikt de steder, som der har behov for stofferne. Dette kan skyldes forskellige faktorer, men en af de kendte faktorer som har en stor betydning er, at mange medikamenter ofte er apolære, hvorved optagelsen forringes. Dermed udnyttes en stor del af den indtagne medicin ikke, på grund af dårlig opløselighed og det går derfor til spilde. Derfor kunne det være en fordel, at benytte sig af et kontrolleret frigivelsessystem, da dette kan sørge for, at medicinen frigives de rigtige steder i passende mængder. Et eksempel på et medikament, hvor det ville være en stor fordel at benytte et kontrolleret frigivelsessystem er kemomedicin. Kemomedicin binder sig til DNA og forårsager celledød, med den hensigt at dræbe muteret cancervæv. Problemet er imidlertid at systemet ligeledes rammer det raske væv, hvilket medfører ubehagelige bivirkninger hos patienterne. [1] Ifølge Tønnesen og Karlsen (2002), kan hydrogeler fremstillet af alginat, som udvindes fra tang, have en rolle i udviklingen af kontrollerede frigivelsessystemer. [2] Der er dog en problematik i forbindelse med opløsning af medikamenter i alginatgeler, da mange medikamenter er apolære og dermed svært opløselige i vand og andre polære opløsningsmidler. Derfor vil det være relevant et ekstra formuleringssystem, der kan sikre opløseligheden af de dårligt oplæselige stoffer, eks. at inddrage cyclodextriner, da dette er i stand til at formulere et kompleks, som er mere opløseligt i oplære solventer. Ved at kombinere disse to systemer, vil det være muligt at indkapsle apolære medikamenter i alginatgeler vha. cyclodextriner. Kombinationen af disse to formuleringssystemer er ikke tidligere blevet undersøgt, og det er ukendt hvorledes disse formuleringssystemer påvirker hinanden, samt om de er kompatible i forhold til udvikling af nye frigivelsessystemer baseret på denne kombination. Projektets formål er at undersøge, hvorvidt kombinationen af alginatgeler og cyclodextriner er mulig, samt hvordan disse evt. vil påvirke hinanden. Projektet vil afdække teori omkring forskellige former for drug delivery, alginat, alginatgeler og cyclodextriner, til udarbejdelse af forsøg med disse. Kombinationen af disse vil afslutningsvis blive vurderet, i forhold til udvikling af nye frigivelsessystemer baseret på disse. Side 9 af 58

10 2 Problemdokumentation Ved fremstilling af medicinske præparater skal der tages højde for de forhold, der er i den menneskelige krop. Medicinen skal være designet til at kunne modstå kroppens forhold, såsom ph og polære/apolære barrierer m.fl. Det er derfor en stor udfordring at fremstille nye præparater, da de skal kunne modstå disse barrierer. Ligeledes ligger problematikken i, at de aktive stoffer i de medicinske præparater, som vi indtager, frigives systemisk i modsætning til lokalt, og ikke fordeler sig til det ønskede område. Medicin, så at sige, er ikke designet til udelukkende at angribe det sted, hvor der er behov for det aktive stof. Som nævnt kunne en mulig løsning på dette være brugen af hydrogeler og cyclodextriner til drug delivery. Alginat danner stabile hydrogeler ved hjælp af kalciumioner. I disse alginatgeler indkapsles medikamentet. Opløseligheden af dette medikament afgøres af, hvor meget alginatgelen kan indeholde. Cyclodextrinernes funktion er at bringe en række tungt opløselige medikamenter ind i en vandig opløsning. Dette gøres ved et såkaldt inklusionskompleks, hvor medikamenterne indkaples i cyclodextrinerne. Vi ønsker i vores projekt at kombinere de to systemer og undersøge, hvordan de bedst kombineres, hvordan de påvirker hinanden og hvordan frigivelsen af medikamentet fra hydrogelen påvirkes. Forud for vores undersøgelser af det kombinerede system med hydrogeler og cyclodextriner, skal vi have en basal viden om disse delelementer. Da vores projekt er fokuseret på drug delivery, skal vi have en forståelse for, hvilke forhold der gør sig gældende i kroppen. Herunder vil vi undersøge farmakokinetik, altså et præparats vej igennem kroppen. Vi vil derfor, forud for vores forsøg, ved litteratur studier, undersøge hvilke parametre der skal holdes øje med, for at forbedre farmokinetikken. Hvis vi vil undersøge det kombinerede system af hydrogeler og cyclodextriner, skal vi desuden vide hvordan disse kemiske stoffer er opbygget, og hvilke kemiske egenskaber de har. Det udersøges hvorledes hydrogeler/alginat geler arbejder i forbindelse med drug delivery og hvordan medikamenter kan bindes til en sådan gel. Efterfølgende undersøges cyclodextriners egenskaber til at danner kompleksbindinger med andre stoffer, samt cyclodextriners evne til at binde medikamenter. Teori vedrørende kombinationen af hydrogeler og cyclodextriner, er begrænset, der vil derfor være en ligeledes begrænset mængde beskrevet teori i rapporten. Kombinationen af disse to systemer, vil blive behandlet i forsøgsdelen. Side 10 af 58

11 3 Problemanalyse 3.1 Farmakokinetik Følgende afsnit beskriver de grundlæggende elementer inden for farmakokinetik, da disse er vigtige for forståelse af hvordan kroppen indtager, fordeler og bearbejder medicin. Farmakokinetik betegner, hvordan et medikament kan rejse fra et præparat og gennem kroppen helt ud til de celler, der skal behandles. Denne kinetik kan opdeles i fire forskellige dele, som har hver sin egenskab; absorption, distribution, metabolisme og ekskretion (udskillelse) også forkortet ADME. [3] Absorption refererer til de metoder, hvorpå medikamentet når blodbanen. Den mest foretrukne metode er oral indtagelse og derved optagelse i den gastrointestinale tragt (GIT). GIT består af munden, spiserøret, mavesækken og tarmsystemet. Så snart et individ indtager et medikament, vil der allerede blive optaget en lille del i de mucosale membraner i munden og spiserøret. Dog vil den største del nå ned i mavesækken, hvor det møder mavevæsken, som er meget sur, da denne bl.a. indeholder en høj koncentration af saltsyre. Disse kemikalier, som mavevæsken består af, er med til at nedbryde mad og de egenskaber, som bliver brugt til den proces, virker lignende på medikamenter. Hvis medikamentet ikke er tilpasset til at kunne være stabilt i mavesækken, vil det ikke have nogen effekt overhovedet. Et andet problem kunne være et stabilt molekyle som insulin, der hvis det overhovedet passerer igennem maven, alligevel ikke kan optages, da det er hydrofilt og for stort et molekyle til at blive optaget. Når medikamentet når ned i de første dele af tarmsystemet, vil det blive nedbrudt af enzymer. Hvis et fremstillet medikament har egenskaberne til at kunne modstå disse angreb fra kroppen, skal det typisk stadig passere cellemembranen to gange for at nå blodbanen. Første gang skal medikamentet gennem membranen, for at komme ind i cellen for derefter at skulle ud på den anden side af cellerne i tarmvæggen. Derefter er det relativt nemt at passere til blodbanen, da der er porer mellem blodkar og omkringliggende celler. Disse porer er tilstrækkelig store, så de fleste medikamenter kan passere igennem og komme ud i blodbanen. På dette tidspunkt bliver medikamentet transporteret til leveren, som ved hjælp af enzymer vil prøve at modificere fremmedlegemet, så kroppen nemmere kan udlede det. Denne proces kaldes lægemiddelsmetabolisme eller drug metabolisme. For at et stof skal kunne nå hele vejen til behandlingsstedet, skal medikamentet være både kemisk og metabolisk stabilt, ellers vil det ikke overleve kroppens forsøg på nedbrydning. Ydermere kræver transportvejen gennem kroppen, at medikamentet hverken er stærkt hydrofilt eller stærkt hydrofobt. Dvs. opløseligheden i vand og fedt skal tilnærmelsesvis være lige store. Hvis medikamentet bliver for polært (hydrofilt) kan det ikke gennemtrænge cellemembranerne, da de er opbygget af fedt. Det modsatte sker, hvis medikamentet bliver for apolært (hydrofobt), så kan det ikke opløses i mavevæsken og lægger sig som fedtkugler/uopløst stof og vil blive udskilt med fæces. [3] Side 11 af 58

12 Når medikamentet har nået blodbanen, bliver det transporteret rundt i kroppen af blodet og derfra ud til organer og væv i hele kroppen. [3] Medikamentet bliver inden for et minut distribueret rundt i kroppen fra arterierne og helt ud i blodkarrene. Det er her, medicinen bliver frigivet fra blodbanen og ud til de områder, der behøver den nødvendige behandling. Kroppen har et estimeret antal af kapillarer på 10 milliarder, som er spredt rundt om i kroppen. Dette gør, at celler rundt om i kroppen ikke ligger længere væk fra en kapillær end µm. Kapillærvæggen er opbygget af tætpakkede celler og mellem cellerne ligger porer, som er Å i diameter, hvilket gør det muligt at røde blodceller og de fleste medicinske molekyler kan passere. [3] Så snart medicinen har nået vævet i kroppen, kan det frit bevæge sig gennem den vandige væske, som omgiver cellerne. Når medikamentet har nået vævet, kan det hurtigt nå sit mål, hvis receptoren er placeret i cellemembranen. Dog er dette ikke altid tilfældet, da nogle medikamenter skal ind i cellen, og derfor skal være hydrofobe nok til at gennemtrænge cellemembranen. Andre metoder er også mulige for medikamentet. Det kan blive ``smuglet ind af et bærerprotein eller pinocytosis, som er en proces, der får cellemembranen til at omringe medikamentet i en vesikel, for derefter enten at optage det eller transportere det videre. [3] Metabolismen er til for at nedbryde forskellige stoffer, der kommer ind i kroppen. Det gøres ved, at kroppen har forskellige metaboliske enzymer, der har til opgave at modificere stoffet eller medikamentet, hvilket i nogle tilfælde fjerner virkningen af medikamentet. I andre tilfælde kan de metaboliske enzymer ændre egenskaber for det oprindelige medikament og i værste tilfælde omdanne dem til giftige stoffer. Metabolismen kan dog også bruges med fordel til at omdanne stoffer, så de derfor får en positiv effekt. Der findes to forskellige faser, som begge har til hensigt at få stoffet gjort mere polært, så det er nemmere for kroppen at udskille. De forskellige reaktioner, som er klassificeret som fase 1, er enzymreaktioner, hvor der tilføjes en polær funktionel gruppe, som gør medikamentet mere opløseligt i vand. En anden enzymreaktion, der kan opstå, er at en allerede polær funktionel gruppe blive fremhævet, f.eks. en enzymreaktion, der demethylerer en methyl ether. Fase 1 reaktionerne, der oftest sker ved metabolisme, er oxidation, reduktion og hydrolyse disse sker hovedsageligt i leveren. Fase 2 reaktioner sker også hovedsageligt i leveren og er konjugerede reaktioner, hvor et polært molekyle sætter sig sammen med en polær gruppe, som allerede findes på medikamentet eller er opstået ved en fase 1 reaktion. Resultatet af den konjugerede reaktion gør, at produktet bliver endnu mere polært og derved hurtigere udskilt. [3] 3.2 Drug delivery Formulering af medikamenter eller Drug delivery systems, er en række teknologier, der anvendes til at kontrollere frigivelsen/frigivelse af medikamenter i kroppen. Drug delivery systems bruges til at imødekomme kroppen barrierer ved at udnytte farmakokinetikken, til at skabe er mere effektiv optagelse af medikamenter. Det er relevant at undersøge systemerne, der bestemmer hvor og Side 12 af 58

13 hvornår medikamenterne frigives, da nogle medikamenter kan have bivirkninger i forskellige dele af kroppen. Til trods for at der findes medicin mod de fleste sygdomme, er det ikke en garanti, at denne form for medicin frigives i kroppen på den bedste måde i forhold til at bekæmpe sygdommen. Der bliver forsket meget i hvordan drug delivery systemerne kan optimeres. Grunde til bivirkninger kan f.eks. være, at medikamentet bliver indgivet i store mængder for at opnå den ønskede effekt eller bliver frigivet forkerte steder. Disse problemer kan mindskes ved at frigive medikamenterne lokalt (der hvor problemet befinder sig) i stedet for at frigive medikamentet til hele systemet. I den nutidige forskning indenfor drug delivery inddeles systemerne i fire kategorier: ruten til frigivelse, leverings køretøjer, medikamentets last og angrebs strategier. [4] Ruten til frigivelse Der findes forskellige måder at optage medikamenter på. Det kan optages f.eks. oralt (gennem munden), via inhalering, intrakutant (gennem huden) eller ved intravenøs injektion (direkte i blodåren). Der er fordele og ulemper ved alle metoder, men det er ikke alle metoderne, der kan anvendes til alle former for medikamenter. Der bliver for tiden forsket i at forbedre disse ruter. Microneedle arrays (se figur 1) er et eksempel på en ny metode. Ved denne metode bliver medikamentet indgivet gennem huden. I disse arrays bliver mikroskopiske nåle, fyldt med medikament, ført ind gennem huden og medikamentet frigivet. Nålene er så små, at de ikke rammer nerverne, hvilket gør det til en smertefri oplevelse. [4] Figur 1: eksempel på microneedle arrays, der bruges til at frigive influenza vacciner. [4] Leverings køretøjer: Når man taler om leverings køretøjer, tænkes der på metoden, hvorpå medikamentet leveres gennem kroppen. Et eksempel på et køretøj er nanosvampe. Disse bruges normalt til at transporterer kræftmedicin. Nanosvampene placerer sig i krafttumoren og bliver langsomt nedbrudt, så de frigiver medicinen i en langsom og ensformig rate. [4] Last: I stedet for kun at fokusere på at optimere medikamenterne selv, bliver der ligeledes forsket i brugen af gener, proteiner og stamceller til behandling [4]. I forbindelse med National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) ses et eksempel på behandling med proteiner. Miller og Shea, fra Northwestern universitet, forsker i mikroskopiske, bionedbrydelige partikler, der selektivt kan forhindre immuncellerne, associeret med multiple sklerose (MS), i at nedbryde det raske væv. Disse partikler er bundet til proteinet myelin, hvilket i forsøg på mus, er vist effektivt til at forhindre MS i opstart [5]. Side 13 af 58

14 Angrebs strategier: Det kan være en fordel, når man arbejder med medikamenter, at undersøge hvordan og hvor man, med medikamentet, gerne vil angribe problemet. Hvis man forsker indenfor drug delivery, kan man starte med at undersøge, hvilke formulerings -metoder der har den bedst ønskede effekt i forskellige områder, f.eks. hjertet, lungerne eller hjernen. NIBIB har finansieret et forsøg, der forsker i udvikling af plantevirus nanopartikler [6]. Disse nanopartikler kan lokalisere og fastgøre sig til prostatacancerceller. På nanopartiklerne er der påsat fluorescerende farvestof, hvilket medfører at forskerne kan se, om cancercellerne har spredt sig til knoglerne, ved at udføre knoglescanninger. [4] Efter således at have beskæftiget os med farmakokinetikken samt drug delivery, vender vi os nu mod de specifikke egenskaber ved de komponenter, der vil indgå i det undersøgte kompleks. 3.3 Hydrogeler Dette afsnit vil indledende beskrive de grundlæggende egenskaber og karakteristika for hydrogeler, da disse har en bred anvendelse inden for drug delivery. Disse beskrives, da projektet vil fokusere på en kombination af disse og cyclodextriner. Hydrogeler er et tredimensionelt krydsbundet netværk af hydrofile polymere med højt vandindhold [7, p. 110]. En hydrogel er karakteriseret ved, at den har en stor evne til at absorbere vand, og kan absorbere fra % op til mange tusind gange dets egen tørvægt i vand, hvorved gelen svulmer op (kvælder) [8, p. 4]. En gel i opsvulmet tilstand kan indeholde mere end 99 % vand, men er i sig selv uopløselig i vand og andre biologiske væsker. Gelernes kvældningsgrad (opsvulmningsgrad) er den vigtigste parameter til at karakterisere gelen, da den påvirker mange andre egenskaber, såsom diffusionsevne, mekaniske, optiske og akustiske egenskaber samt overfladeegenskaber. Hydrogeler er lavet ud fra naturlige eller syntetiske polymere eller en blanding af disse to typer. Deres egenskaber kan i stor udstrækning varieres ved at bruge forskellige polymerer i netværket, samt ved at variere mængderne og molekylstørrelserne af de anvendte polymerer. Krydsbindingsgraden mellem de anvendte polymerer er afgørende for gelernes mekaniske styrke. Et tættere krydsbundet netværk giver gelen mindre potentiale for vandoptagelse. [9] Hydrogeler kan opdeles i fysiske og kemiske geler alt efter deres egenskaber og fremstillingsmetode. Fysiske hydrogeler kan f.eks. fremstilles ved at opvarme eller nedkøle en polymeropløsning. Disse geler dannes og holdes sammen ved hjælp af ioniske interaktioner mellem ladede grupper i alginaten og en multivalent ion med modsat ladning. Ydermere stabiliseres gelerne af van der Waals interaktioner og brintbindinger. Et eksempel på dette kan være ioniske interaktioner mellem negativt ladede grupper i alginat og Ca 2+ -ioner. Disse geler er reversible, dvs. hvis den multivalente ion fjernes eller vaskes ud, vil gelen opløses [10]. Kemiske hydrogeler fremstilles ved kemisk krydsbinding af mono- eller polymerer, f.eks. ved at anvende bestråling, kemiske krydsbindingsmidler eller multifunktionelle reaktive forbindelser. [9] Side 14 af 58

15 De fleste hydrogeler er biokompatible, dvs. at de ikke skader kroppen og ikke stimulerer nogen reaktioner i kroppens immunforsvar, da de strukturmæssigt ligner makromolekylære komponenter i kroppen, og de kan derfor blive ført ind i kroppen ved minimalt invasive metoder, såsom ved injektion eller oral indtagelse [7, p. 110]. Grundet hydrogelers biokompatibilitet er de meget anvendelige i biomedicin, f.eks. i forbindelse med drug delivery, hvor det er i stand til at indkapsle medicin. De har især vist sig at være effektive inden for kontrolleret frigivelse af medicin [11, p. 35]. Hydrogeler til biomedicin er ofte fremstillet af alginat, da dette ikke er toksisk. Der findes flere forskellige metoder til krydsbinding af alginatgeler for at få dem til at gelere, og disse fremgangsmetoder har forskellig indflydelse på gelens egenskaber [7, p. 110]. 3.4 Alginater Der vil i følgende afsnit blive beskrevet den generelle struktur alginat, nogle af dets egenskaber samt en kort præsentration af, hvordan det udvindes. Figur 2: Struktur for G-blok, M-blok og blanding blok af alginat [7, p. 108] Struktur Kommercielt anvendt alginat udvindes hovedsagligt fra tre forskellige brune alger, Laminaria hyperborea, Ascophyllum, og Macrocystis pyrifera, mens bakteriel alginat kan udvindes fra Azotobacter og Pseudomonas. [12, p. 195] Alginat er en sammensætning af lineært bunde copolymerer. Disse copolymerer indeholder blokke af 1,4-β-D-mannuronat (M) og/eller α-lguluronat (G). Disse blokke er sammensat som enten en ren M-blok (MMMMMM ), en ren G- blok (GGGGGG ) eller en blandingsblok af M og G (MGMGMG ). På figur 2 ses de tre forskellige blokke af alginat. Den øverste er en G- blok, den midterste, en M-blok, mens den sidste er en blandings-blok. Opbygningen af disse blokker, samt længden af dem, afhænger af hvor alginat er udvundet fra. [7, p. 107] Egenskaber Mange af alginats egenskaber afhænger af, fra hvilken kilde alginat er udvundet samt hvilke blokke det indeholder. Der er f.eks. fundet at alginat produkter udvundet fra Azotobacter indeholder en stor koncentration af G-blokke, hvilket medfører, at dens tilhørende gel har en høj stivhed. Alginat er immunogen, hvilket medfører at det stimulerer monocytterne i kroppen, til at danne høj koncentration af cytokiner [7, p. 108]. Der er ved forsøg vist, at alginat med et lavt indhold af G-blokke er omkring 10 gange bedre til at inkluderer cytokindannelse end alginat med et højt indhold af G- Side 15 af 58

16 blokke [13]. Andre forsøg viser ingen immunogen indflydelse [14]. Da alginat er udvundet fra naturlige kilder, kan alginat indeholde andre komponenter såsom tungmetaller, endotoxin, proteiner, andre carbohydrater og polyphenoler, der kan have indflydelse på dets egenskaber [12, p. 195] Molarmasse og viskositet Ligesom egenskaberne varierer alginats molarmasse også efter typen af alginat, men ligger som oftest mellem og g/mol. Viskositeten for alginat opløsninger stiger i takt med at ph-værdien falder, og når en maksimal viskositet ved ph omkring 3-3,5. Dette skyldes, at carboxylat grupper i alginat bliver protonerede og dannet hydrogen bindinger. [7, p. 108] Samtidig vil viskositeten af alginat opløsninger også afhænge af molarmassen [12, p. 196] Produktion og udvinding af alginater Alginat produceres oftest ved ekstraktion fra forskellige brune tangsorter f.eks. Ascophyllum. Måden hvorpå alginatpolymeren ekstraheres kan opdeles på to forskellige metoder; calcium alginat metoden og alginsyre processen. Calciumalginat metoden I første trin reduceres størrelsen på tangen. Efter en størrelsesreduktion skal alginsyren, som er bundet i massen, omdannes til en mere opløselig form; natriumalginat. Dette gøres ved at tilsætte en mineralsk syre, hvorefter natriumcarbonat tilsættes, hvorved nedenstående reaktioner forekommer: (1) (2) Herefter oprenses alginaten, hvor der blandt andet bruges en formaldehydbehandling til at fjerne phenoler. Efter phenolerne er fjernet ekstraheres natriumalginaten via en natriumcarbonat opløsning gennem opvarmning. Herefter skal alginaten separeres gennem forskellige filtreringsmetoder. Dette sker blandt andet gennem brugen af kationisk flocculant, som binder sig til den anioniske cellulose, som findes i det organiske materiale der bruges til produktionen. Dernæst tørres massen ind, hvilket sker gennem omdannelse af natriumalginat til calciumalginat. Når massen er blevet tørret ind skal den bleges, hvilket gøres med natriumhypochlorit. Dermed er alginaten som regel nu på fødevarekvalitet. Efter blegning af calciumalginaten, skal den omdannes til alginsyre, hvilket sker gennem tilførslen af saltsyre, hvor Ca 2+ bliver skiftet med H +. Når ionerne er blevet skiftet er endnu tørring nødvendig, hvorefter konservering ved at tørre massen ind er mulig. Alginsyre processen Ved en sammenligning med calciumalginat metoden er denne metode tilsvarende, indtil blegningen af massen, hvor man med denne metode ville man oprense natriumalginaten med saltsyre, hvorved det omdannes til alginsyre, som udfælder og kan dermed oprenses. Efter dette vil man gå Side 16 af 58

17 til tørring af alginsyren, som vil ske på forskellige måde, blandt andet ved centrifugering samt brug af en skruepresse. Efter dette trin vil blegning være nødvendig, hvilket sker med natriumhypochlorit. Når man har en masse af alginsyre på 25 % fast stof, kan der bruges en alkohol og natriumhydroxid til at suspendere det med hvorved at man omdanner alginsyre til natrium alginat. [15] Brug af alginat i forbindelse med forsøg Da alginat er en polymer som er fremstillet via biosyntese, er der forskel på, hvordan strukturen af polymeren er i forhold til de enkelte organismer, der producerer alginat. I og med at der er to forskellige blokke, er der forskel på hvilke egenskaber alginat har, alt efter hvordan det er produceret. Det samme gør sig gældende for molekylevægten. Dette betyder, at hvis der skal kunne sammenlignes resultater, produceret i forbindelse med dette projekt, så skal der arbejdes med en homogen type alginat. I dette projekt bruges der alginat, som er blevet brugt i artiklen Microcapsules Made By Enzymatically Tailored Alginate af Strand, Berit L. et al Denne type alginat er blevet enzymatisk omdannet, således at der er konjugerede G- og M-blokke. Denne alginat er blevet dannet ved at blande 0,5 % (w/v) alginat, 0,34 mm CaCl 2 og 0,05M tris/hcl-buffer (ph 6,9) ved 37 C og 0,02 % (w/v) AlgE4 C-5-epimerase, som derefter inkuberes i 20 timer ved 37 C. Dette giver mulighed for at kunne sammenligne data med andre projekter, som bruger denne type alginat. [16] 3.5 Krydsbindinger af alginat I følgende afsnit vil forskellige fremgangsmåder til gelering af alginatgeler gennemgået, samt hvordan disse har indflydelse på de fremstillede gelers egenskaber Ionisk krydsbinding Den mest almindelige fremgangsmåde til fremstilling af hydrogeler ud fra en vandig opløsning af Na-alginat, hvor natrium er den modion der sidder på carboxylaterene, er at kombinere opløsningen med ioniske krydsbindingsmidler, såsom divalente kationer (Ca 2+ ). De divalente kationer menes at binde udelukkende guluron-blokke af alginat-kæder, da strukturen af guluron-blokkene tillader en høj grad af samordning af de divalente ioner. Guluron-blokkene af én polymer danner knudepunkter med guluron-blokke i den tilstødende polymer. Denne form for krydsbinding danner en gel struktur, der kendes som æggebakkemodellen (egg-box model) (se figur 3). Calciumchlorid (CaCl 2 ) er et af de hyppigst anvendte midler til ionisk krydsbinding af alginat. Figur 3: Egg-box model. Kun guluron-blokke er med til at danne denne æggebakke-struktur, som laver små rum hvori calciumionerne bliver placeret. [7, p. 111] Side 17 af 58

18 Denne form for geldannelse fører dog typisk til en hurtig og ringe kontrolleret gelering, da reaktionen med Ca 2+ sker så hurtigt, at gelen typisk vil forme en skal omkring et inhomogent indre. En metode til at bremse geleringen er at anvende en buffer indeholdende fosfat (f.eks. natrium hexametafosfat). Fosfatgrupperne i bufferen konkurrerer med carboxylatgrupper af alginat i reaktionen med Ca 2+ og forsinker derved geldannelsen. Calciumsulfat (CaSO 4 ) og calcium carbonat (Ca- CO 3 ) kan også nedsætte geleringsprocessen, grundet deres lave opløseligheder. [7, p. 110] Når der bruges divalente kationer er geleringstiden en kritisk faktor for kontrol af gelens ensartethed og styrke. Langsommere gelering producerer mere ensartede strukturer, samt et tættere krydbundet netværk. Temperaturen under geleringen har også indflydelse på geleringstiden og de resulterende mekaniske egenskaber ved geler. Ved lavere temperaturer reduceres reaktiviteten af ioniske krydsbindere (Ca 2+ ), og krydsbinding vil ske langsommere. Den resulterende krydsbundne struktur er mere ordnet og forbedrer de mekaniske egenskaber. De mekaniske egenskaber i ionisk krydsbundne alginatgeler kan også være afhængige af den kemiske struktur af alginat (jf. afsnit 3.4.4). Typisk vil geler fremstillet af alginat med et højt indhold af guluronsyre udviser højere stivhed end dem med en lav mængde af guluronsyre. [7, p. 110] En ulempe ved ionisk krydsbundne alginatgeler er en begrænset stabilitet på lang sigt under fysiologiske forhold. Disse geler kan opløses, da reaktioner med monovalente kationer medfører tab af divalente ioner fra gelen ind i de omkringliggende medier. Desuden kan calciumioner frigivet fra gelen fremme blodets størkningsevne, mens gelen i sig selv kan fungere som en matrix til samling af blodplader og erytrocytter (røde blodceller). Disse funktioner kan være gavnlige eller skadelige afhængigt af situationen. Men et ønske om at undgå disse biologiske reaktioner, sammen med mere generelle begrænsninger ved ionisk krydsbundne geler, har ført til en større interesse i kovalent krydsbundne alginathydrogeler. [7, pp ] Kovalent krydsbinding Kovalente krydsbindinger er blevet bredt undersøgt, i et forsøg på at forbedre de fysiske egenskaber af hydrogeler til mange anvendelser, herunder til regenerering af væv. Zhao et al. (2010) undersøgte hvordan kovalent og ionisk krydsbundne geler (på diskform) opfører sig, når de udsættes for tryk. De fandt ud af, en ionisk krydsbundet gel var 20 s om at mindske den påførte belastning til det halve, mens en kovalent krydsbundet gel var 3600 s om det samme. [17] Den ionisk krydsbundne gel mindsker den påførte belastning, ved at opløse krydsbindinger og gendanne dem et nyt sted, hvorved gelen bliver i stand til at give sig, samtidig med at der tabes vand. Kovalent krydsbundne geler kan også afgive vand for at mindske belastningen, de er ikke selv i stand til at opløse og gendanne krydsbindinger, og har derfor brug for hjælpemidler i form af krydsbindingsreagenser. Disse krydsbindingsreagenser kan dog være giftige, og det kan blive nødvendigt at fjerne uomsatte kemikalier og reaktionsprodukter. [7, p. 111] En ionisk krydsbundet gel der afgiver vand bliver mere rigid i sin sammensætning, mens en kovalent krydsbundet gel bliver mere fleksibel, når den afgiver vand. Zhao et al. undersøgte strukturen af gelerne efter at have udsat dem for Side 18 af 58

19 tryk. Efter testen blev belastningen fjernet, og gelerne opbevaret i fosfatbufferet saltvandsopløsning i 24 timer. De fandt at den kovalent krydsbundne gel genvandt sin oprindelige form efter at have ligget i blød i saltvand. Den ionisk krydsbundne gel derimod udviste en permanent deformering. [17] Kovalente krydsbindinger af alginat med poly(ethylenglycol)-diaminer med forskellige molekylevægte blev først undersøgt af Eiselt et al. (1999), for at kunne udvikle geler med en lang række af de mekaniske egenskaber. Mens elasticiteten gradvist steg i takt med en stigning i krydsbindingernes densitet eller vægtprocent af poly(ethylenglycol) (PEG) i gelen, så faldt elasticiteten når molekylevægten af krydsbindingerne blev mindre end molekylevægten af den blødere PEG. Det blev efterfølgende vist, at de mekaniske egenskaber samt kvældningen af alginatgeler kan reguleres nøje vha. forskellige krydsbindende molekyler, samt ved at styre densiteten af krydsbindingerne. Krydsbindingsmolekylernes kemi har også stor indflydelse på kvældningen af hydrogelen. Indførslen af hydrofile krydsbindingsmolekyler, som f.eks. PEG, kan kompensere for tabet af den hydrofile karakter, som hydrogelen får fra krydsbindingsreaktionen. [7, p. 111] Brugen af multifunktionelle krydsbindingsmolekyler til at danne hydrogeler giver en bredere vifte af geler, samt bedre kontrol over nedbrydningshastigheder og mekanisk stivhed end bifunktionelle krydsbindingsmolekyler. Multifunktionelle krydsbindingsmolekyler indeholder flere grupper der kan indgå i bindinger med alginat. Multifunktionelle krydsbindingsmolekyler nedbrydes langsommere end bi-funktionelle molekyler. Photo krydsbinding er en tilgang til in situ gelering, der udnytter kovalent krydsbinding. Photo krydsbinding kan udføres under milde reaktionsbetingelser, selv i direkte kontakt med lægemidler og celler med passende kemiske initiatorer. Alginat, modificeret med methacrylat og krydsbundet ved udsættelse for laserstråler (argonionlaser, 514 nm) i 30 sekunder i nærværelse af eosin og triethanolamin, danner klare og fleksible hydrogeler. Disse geler har bl.a. vist sig nyttige ved tætning af perforerede hornhinder in vivo, med henblik på en potentiel klinisk brug til suturfri kirurgi. [7, p. 111] 3.6 Alginatgeler i drug delivery Der vil følgende blive beskrevet forskellige former for frigivelsessystemer i alginatgeler, samt eksempler på, hvordan alginatgeler kan anvendes i drug delivery Drug release Som tidligere nævnt (jf. afsnit 4.3) har hydrogeler vist sig særdeles effektive inden for kontrolleret frigivelse af medicin. Formulering af medicin er en måde at styre hvor og hvornår medikamentet skal frigives (jf. afsnit 4.2). Derfor er det også relevant at undersøge, hvor meget der frigives og hvor hurtigt det frigives. Der er blevet udviklet flere modeller til at beskrive frigivelsen af et aktivt middel fra en hydrogel, som funktion af tiden. Disse modeller kategoriseres som følger: diffusions- Side 19 af 58

20 kontrolleret frigivelse, kvældningskontrolleret frigivelse og kemisk kontrolleret frigivelse, hvoraf diffusionskontrolleret frigivelse er den mest anvendte mekanisme. [18, p. 1384] Diffusionskontrolleret frigivelse Diffusionskontrolleret frigivelse opstår, når gelen kvælder hurtigere end et stof kan diffundere ud af gelen (se figur 4). Den mekanisme som bedst beskriver frigivelse af et lægemiddel fra hydrogeler, ved diffusion, er den spredningskontrollerede adfærd, der beskrives i Ficks 1. lov om diffusion. [18, p. 1384] Ficks 1. lov beskriver diffusion som transport af partikler fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration. Ficks 1. lov beskriver sammenhængen mellem partikelstrømmen eller antal partikler der diffunderer pr. tid og koncentrationsgradienten. [19] Ficks lov skrives: (3) Hvor J antallet af partikler, der diffunderer over et bestemt areal pr. tid angives i mol/m 2 s. D er diffusionskoefficienten, der angiver forskel på koncentrationen der diffunderes fra, til den der diffunderes til angives i længde 2 pr. tid (m 2 /s). C er ændringen i koncentrationen (mol/m 3 ) og x er ændringen i diffutionsretningen (positionen), angivet i meter. [20] Figur 4: Konceptet i diffusionskontrolleret frigivelse. Medikamentet frigives fra polymeren, men når gelen kvælder, vil medikamentet få en længere vej ud af gelen, da det først skal diffundere ud fra kernen til resten af gelen, før det kan forlade gelen. [21] Kvældningskontrolleret frigivelse Kvældningskontrolleret frigivelse opstår, når diffusionen af lægemiddelet er hurtigere end hydrogelens kvældning. Modellering af denne mekanisme involverer normalt at flytte på nogle grænsebetingelser, hvor molekylerne frigøres i fasen mellem den gummiagtige fase og den glasagtige (tørre) fase af opsvulmede hydrogeler. [18, p. 1384] Side 20 af 58

21 Figur 5: Konceptet i kvældningskontrolleret frigivelse af et medikament. Ved t = 0 er medikamentet opløst i den tørre (glasagtige) polymer. Når gelen begynder at kvælde (t = t), vil den skabe en gummiagtig polymer, som er gennemtrængelig for medikamentet, og herved frigives medikamentet fra gelen. [22] Figur 5 viser konceptet i kvældningskontrolleret frigivelse. Når medikamentet er opløst i den tørre polymer, er det fastlåst i en fast struktur, der ikke tillader frigivelse. Når et solvent gennemtrænger polymeren, vil gelen begynde at kvælde, og polymerkæderne vil blive mere afslappede og tillade medikamentet at diffundere ud. Efterhånden som gelen kvælder og polymerkæderne bliver mere afslappede, vil gelen blive mere gummiagtig, og den tørre (glasagtige) kerne vil blive mindre. [22] Kemisk kontrolleret frigivelse Kemisk kontrolleret frigivelse anvendes til at beskrive molekylefrigivelsen, bestemt af reaktioner der forekommer i formuleringens matrix. De mest almindelige reaktioner der opstår indenfor hydrogel formuleringssystemer er spaltning af polymerkæder via hydrolytisk (hydrolyse), enzymatisk nedbrydning eller reversible/irreversible reaktioner mellem netværket af polymerer og stoffet der skal frigives. Under visse betingelser vil nedbrydning af hydrogelens overflade bestemme hastigheden hvormed medikamentet frigives. Alternativt, hvis de lægemiddel-bindende dele er inkorporeret i gelen, kan bindingsligevægten bestemme frigivelseshastigheden. Kemisk kontrolleret frigivelse kan yderligere kategoriseres efter typen af kemisk reaktion, der sker under frigivelse af et lægemiddel. Generelt kan frigørelse af indkapslede stoffer ske ved nedbrydning af hydrogelens overflade eller ved nedbrydning af polymerskelettet. [18, p. 1384] Stimuli-induceret frigivelse Kontrolleret frigivelse af medikamenter i hydrogelformuleringer kan kategoriseres i tidskontrollerede systemer og stimuli-inducerede systemer. Stimuli-inducerede systemer kaldes også stimuli-følsomme eller miljø-følsomme systemer. Et system der er følsomt over for stimuli, er udviklet til at levere dets indhold/frigive medikamentet, som svar på en svingende tilstand i det omgivne miljø, f.eks. i kroppen. Dog har denne form for system en væsentlig ulempe i form af langsom responstid. En hurtigere reaktionsevne kan opnås ved at udvikle tyndere og mindre geler, som til gengæld er mere skrøbelige. Stimuli-følsomme hydrogel systemer kendes også som intelligente systemer, og kan underinddeles på følgende vis: fysisk-inducerede frigivelsessystemer, Side 21 af 58

22 kemisk-inducerede frigivelsessystemer og andre stimuli-inducerede frigivelsessystemer. [23, p. 1641] Fysiske stimuli kan bl.a. være temperatur, lys, tryk, lyd og elektrisk eller magnetisk felt, mens kemiske stimuli kan være ph-værdi, solventtype, ionstyrke, samt andre molekylære reaktioner. Ved ændring af disse parametre kan hydrogelen påvirkes til enten at optage eller afgive væske. Mange geler fremstilles, så strukturændringerne er reversible, og den givne ændring således kan vendes eller gentages ved yderligere påvirkning af det omgivende miljø. [9] Drug delivery (til oralt medicin) Formulering af medicin med hydrogelen kan anvendes til oral, rektal, okulær, epidermal og subkutan anvendelse. Figur 6 viser forskellige steder, hvor det er muligt at anvende hydrogeler til drug delivery. Der vil følgende blive fokuseret på hydrogel-baseret drug delivery til oralt medicin, da dette er den mest almindelige metode til farmaceutisk anvendelse af hydrogeler. [11, p. 35] I peroral administration kan hydrogeler levere medicin til fire store specifikke steder; mund, mave, tyndtarm og tyktarm. Ved at kontrollere gelens kvældende egenskaber eller klæbende egenskaber i nærvær af en biologisk væske, kan en hydrogel være en nyttig anordning, til at frigive lægemidler på en kontrolleret måde på disse steder. Desuden kan de Figur 6: Væv egnet for hydrogel baseret drug delivery systemer [8, p. 35] holde sig til bestemte regioner i den orale transportvej, hvilket giver en øget koncentration af lægemidlet lokalt, og derved en bedre udnyttelse af midlet. [11, p. 9] Hydrogeler er desuden i stand til at klæbe sig fast på de slimhinder, der udgør overfladen af tarmvæggen. Dette kan udnyttes til at forlænge lægemidlets transport gennem mave-tarmkanalen, hvilket forøger chancen for, at midlet optages gennem tarmvæggen. [9] Behandling af sår Ud over at være et effektivt oralt drug delivery system har alginatgeler desuden vist sig nyttige til bandager inden for behandling af sår, samt inden for drug delivery i sår. De er i stand til at holde såret fugtigt under heling, så der ikke dannes skorpe, samt at opsuge sekret fra såret. [24, p. 2901] Tidligere havde bandager til formål at holde såret tørt, ved at tillade fordampning gennem bandagen, samt forebyggelse af bakterier i såret. Det har senere vist sig, at et varmt og fugtigt sårmiljø skaber en hurtigere og mere succesfuld heling af såret. Der er siden 1988 blevet arbejdet på at udvikle nye bandager, der skulle skabe det mest optimale miljø for epitelceller, så de kan bevæge sig uhindret under behandlingen af såret. Sådanne betingelser omfatter et fugtigt miljø omkring såret, effektiv cirkulation af ilt til at hjælpe regenererende celler og væv, samt en lav belastning af bakterier. Da der findes mange typer sår, findes der også mange forskellige typer bandager. [24, Side 22 af 58

23 pp ] Sårhelingsprocessen udvikles gennem en række indbyrdes afhængige faser, hvor en række cellulære og matrixbestanddele arbejder sammen om at genetablere integriteten af beskadiget væv og erstatte tabt væv. [24, p. 2894] Alginatforbindinger Alginatforbindinger er fremstillet af calcium- og natriumsalte af alginsyre. Alginatforbindinger forekommer enten i form af frysetørrede porøse ark (skum) eller som fleksible fibre til pakning af åbne sår. Alginatforbindinger bruges primært grundet evne til at danne geler ved kontakt med væsker fra sår (høj sugeevne). Den høje absorption sker via en stærk hydrofil geldannelse, hvilket begrænser sekreter fra sår og minimerer bakteriel kontaminering. [24, p. 2901] Når alginat anvendes til sår, vil ioner i alginatfiberen udveksles med de tilstedeværende ioner i sårvæsken og blodet, for at danne en beskyttende film af gel. Dette bidrager til at opretholde en optimal hydrering og temperatur under helingen. Alginatforbindinger har desuden en farmakologisk funktion, pga. virkningen af calciumioner tilstede i forbindingen. Calciumionerne spiller en fysiologisk rolle i medvirken til blodets koagulationsmekanisme (hæmostase) i første fase af sårhelingen. [24, p. 2901] Alginatforbindinger bruges kun til væskende sår, da de kræver fugt for at kunne fungere effektivt. [24, p. 2902] Medicinerede bandager Traditionelle bandager såsom gaze anvendes meget almindeligt til at levere medicin til såret. Mere moderne bandager som hydrogeler og alginater, bruges til at levere aktive agenter til såret. De stoffer der er indarbejdet i disse bandager spiller en aktiv rolle i sårhelingsprocessen enten direkte eller indirekte. De kan virke som udrensnings- eller vævsnedbrydende agenter til fjernelse af nekrotisk væv, antimikrobielle stoffer som forhindrer eller behandler en infektion, eller som vækstagenter til at støtte regenerering af væv. [24, p. 2905] Kontrolleret drug delivery til sår En kontrolleret frigivelse af lægemidler til såret involverer generelt at forlænge virkningen af det aktive lægemiddel. Hertil har hydrofile polymere (såsom alginat) stort potentiale. Fordelen ved en kontrolleret frigivelse er, at man kan øge den lokale koncentration af lægemidlet over tid og samtidig undgå en høj systemisk dosis, hvilket betyder, at patienten ikke udsættes for en højere dosis af lægemidlet, end der er behov for. Desuden har en forbinding, der leverer et aktivt stof til såret over længere tid, ikke et behov for at blive udskiftet ofte. [24, pp ] De fleste forbindinger til kontrolleret lægemiddelafgivelse er lavet af polymerer. De anvendte polymere forbindinger til dette formål er bl.a. hydrogeler og alginatforbindinger. Andre polymere forbindinger produceret til lægemiddelafgivelse til sår, er nye formuleringer fremstillet af polymere biomaterialer, såsom hyaluronsyre, collagen og chitosan. Syntetiske polymerer lavet som kvældende forbindinger til kontrolleret lægemiddelafgivelse omfatter bl.a. silikone gel ark. [24, p. 2908] Side 23 af 58

24 Alginatgeler har mange muligheder inden for drug delivery, og projektet vil senere vurdere, hvilken form for drug delivery der vil være mest optimal i forhold til en kombination af alginatgeler og cyclodextriner. 3.1 Cyclodextriner Følgende afsnit beskriver grundlæggende egenskaber ved cyclodextriner, da cyclodextriner er en af komponenterne i det undersøgte alginat/cyclodextrine kompleks. Cyclodextriner har stort potentiale for anvendelse inden for drug delivery, da disse er i stand til bringe hydrofobe stoffer i opløsning som inklusionskompleks. Da meget medicin er apolært, vil det være begrænset, hvor meget medicin der kan opløses i en alginatgel. Det er derfor nødvendigt med et system, som kan hydrofobe stoffer i opløsning. Et sådant system kan være cyclodextriner, som netop i sig selv er opløselige i vand, men samtidig kan Figur 7: Strukturen af β-cyclodextrin [25, p. 1034] binde sig til hydrofobe molekyler. Cyclodextriner er ringsluttede oligosaccharider, bestående af 1,4 α-bundne-d-glykopyranose. Cyclodextriner er gode kompleksbindere, hvis struktur har en stor indflydelse på funktionen. Da de 1,4 α-bundne-d-glykoporanose er ringsluttet, har ydersiden af strukturen andre egenskaber end indersiden. Som illustreret på figur 7, har cyclodextrinen en relativ hydrofob eller apolær inderside, men er som molekyle polært og dermed vandopløseligt. Det er denne egenskab, der gør at, cyclodextriner er interessante at arbejde med i forbindelse med lipofile egenskaber. Det er muligt for et mindre, apolært molekyle eller dele af et molekyle at opholde sig i centrum af cyclodextrinen og dermed blive opløst i en polær opløsning. Der sker ikke en kemisk binding mellem stofferne, men en intermolekylær binding. [25, p. 1033] Cyclodextriner dannes ved enzymatisk nedbrydning af stivelse med enzymet glucanotransferase. På ydersiden af ringen er alle carbon-atomer bundet til en oxygenbro, hvorimod de to carbonatomer på indersiden, begge er bundet til OH-grupper. Det er denne fordeling, samt at det ring- Side 24 af 58

25 sluttende oxygen sidder på ydersiden, der gør at indersiden har en hydrofob tredimensionel struktur. [25, p. 1034] Der findes tre overordnede typer cyclodextriner; α-cyclodextrin, β-cyclodextrin og γ-cyclodextrin. Forskellen er, at de henholdsvis består af 6 (α), 7 (β) og 8 (γ) 1,4 α-bundne D-glykose enheder. β- cyclodextrin er den letteste at producere, billigste og mest anvendte af de tre typer cyclodextriner [25, p. 1034].Se nedenstående tabel for sammenligning af de tre forskellige typers kemiske egenskaber. [25, p. 1034] Tabel 1. Egenskaber af de tre overordnede typer af cyclodextriner. [25, p. 1034] Egenskaber α-cyclodextrin β-cyclodextrin γ-cyclodextrin Antal glukopyranose enheder Molarmasse (g/mol) Opløselighed I vand (%, w/v)* 14,5 1,85 23,2 Ydre diameter (Å) 14,6 15,4 17,5 Hulrum diameter (Å) 4,7-5,3 6,0-6,5 7,5-8,3 Højde af side (Å) 7,9 7,9 7,9 Hulrum volume (Å 3 ) *Ved 25 C. [25, p. 1034] Som det fremgår af tabel 1, er β-cyclodextrin væsentligt mindre opløseligt i vand end de to andre former er. Da cyclodextriner kan binde sig til hinanden både kovalent og ikke-kovalent, kan de blive brugt som byggeklodser til konstruktion af supramolekylære komplekser og hermed binde større molekyler. Dette ville være relevant, hvis det skulle binde et medikament, som består af et større molekyle. [25, p. 1034] Der er siden årtusindeskiftet blevet oprettet næsten fem hundrede patenter, som anvender cyclodextriner i den farmaceutiske verden [26, p. 64]. Det er cyclodextrinets egenskab til at bære hydrofobe medikamenter, som skaber den store interesse indenfor anvendelse i medicin, da det hermed er muligt at opløse en væsentligt større mængde medikament i en polær opløsning. Da der er tale om at anvende cyclodextriner i medicinalindustrien, er det naturligvis væsentligt at undersøge, hvorvidt cyclodextriner er giftige for kroppen eller sundhedsskadelige. Der er derfor blevet udført forsøg på rotter, som viste følgende for de tre overordnede typer cyclodextriner [25, p. 1035]: Tabel 2: Tabellen viser en oversigt over bivirkninger for de forskellige cyclodextriner α-cyclodextrin β-cyclodextrin γ-cyclodextrin Reaktion efter injektion Relativ irritation Mindre irritation Ubetydelig irritation Absorption efter oral 2-3 % 1-2 % 0,1 % indtagelse Disse forsøg er stadig på et lavt stadie, så hvis cyclodextriner skulle anvendes i forbindelse med medikamenter, ville det være nødvendigt at undersøge deres fysiologiske påvirkning yderligere. Side 25 af 58