Производные гиперразветвленных полиэфиров для биомедицинского применения

Проект направлен на синтез и исследование физико-химических свойств функциональных производных гиперразветвленных полиэфиров, содержащих фрагменты карбоновых кислот, ионы и наночастицы металлов. Определены пути создания полимерметаллических комплексов и полимер-композитных наночастиц биофильных металлов с заданной фунгицидной и антипротеиназной активностями. Показано, что комплексы меди с поликислотами обладают антимикотической активностью преимущественно к грибам рода Candida, и полимер-композитные наночастицы меди проявляют большую активность к грибам рода Aspergillus и Penicillium.

Целью настоящей работы является синтез и исследование новых функциональных гиперрразветвленных полиэфиров, содержащих фрагменты карбоновых кислот в терминальных положениях, их полимерметаллических комплексов с ионами 3d-металлов Со(II), Ni(II), Cu(II) или полимер-композитных наночастиц, обладающих фунгицидной и антипротеиназной активностями.

Задачи работы:
1. Разработать способы синтеза полидентатных полиэфирополикарбоновых кислот третьей генерации.
2. Установить влияние строения функционализирующего реагента и степени функционализации на кислотно-основные свойства и механизмы ионизации полиэфирополикарбоновых кислот третьей генерации.
3. Синтезировать, определить структурную организацию, состав и устойчивость полиядерных комплексов Co(II), Ni(II), Cu(II) с гиперразветвленными полиэфирополикарбоновыми кислотами третьей генерации.
4. Разработать способы функционализации платформ полиэфирополикарбоновых кислот наночастицами d-металлов.
5. Оценить фунгицидную и антипротеиназную активности гиперразветвленных полиэфирополикарбоновых кислотх третьей генерации и их производных.

Синтез биологически активных веществ с заданными свойствами на основе функционализированных гиперразветвленных полимеров является актуальной задачей современной фундаментальной и прикладной химии. Использование наноразмерных нетоксичных, биодеградируемых, гиперразветвленых полиэфирополиолов в качестве платформы для функционализации позволит получить новые производные для биомедицинской химии. Методом последовательной функционализации полимерной платформы сначала органическими фрагментами, а затем ионами или наночастицами металлов можно получить новые соединения с сопряженной антимикотической и антипротеиназной активностями. 

Исходные вещества: гиперразветвленный полиэфирополиол (ГРПО) Boltorn H30 фирмы Perstorp Speciality Chemicals AB, Швеция, янтарный ангидрид С₄Н₄О₃ и малеиновый ангидрид С₄Н₂О₃ (99% , Alfa Aesar), соли: LiClO₄, NaHCO₃ и Сu(NO₃)₂×3H₂O, Со(NO₃)₂×6H₂O, Ni(NO₃)₂×6H₂O (99% , Alfa Aesar), растворители «ч.д.а.», «ос.ч» и «х.ч»: диэтиловый эфир, 1,4-диоксан, ацетон, этанол, бензол, диметилсульфоксид (ДМСО), гидразин гидрат и тетрагидроборат натрия (массовая доля основного вещества 99%) (ос.ч.).

Аппаратура: ИК-спектры поглощения твердых веществ регистрировали на Фурье-спектрометре Spectrum 400 (Perkin Elmer) с приставкой НВПО Алмаз KRS-5. Спектры ЯМР в (CD₃)₂CO записаны на многофункциональном спектрометре ЯМР с Фурье-преобразованием “Avance 400” (Bruker). Электронные спектры поглощения снимали на спектрофотометре Lambda 750 (Perkin Elmer, UK). рН-метрическое титрование проводили с помощью титровальной станции модульной конструкции АТ-210 (Kioto Electronics, Япония). Термическая стабильность и тепловые эффекты разложения определены методом совмещенной термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) на дериватографе STA 449 С Jupiter (Netzsch). Микрофотографии получены с помощью просвечивающего электронного микроскопа автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа Merlin (Carl Zeiss) STEM детектор для работы на просвет. Определение гидродинамического диаметра частиц проводили с помощью NanoSight LM10.

Синтезирован ряд гиперразветвленных полиэфирополикарбоновых кислот, содержащих фрагменты акриловой и пропановой кислот в терминальных положениях. Методами ИК, ЯМР спектроскопии и pH-потенциометрического титрования установлены состав и строение полученных функционализированных производных.

Методами pH-метрического титрования с моделированием сложных равновесий по программе SAGAFit установлено, что ионизация полиэфирополипропановой кислоты третьей генерации со степенью функционализации 69% происходит блочно с отрывом 3 или 4 протонов. Ионизация полиэфирополиакриловых кислот третьей генерации со степенью функционализации 56 и 69% происходит ступенчато, повышение степени функционализации приводит к повышению долей накопления и большему разнообразию ионизированных форм поликислоты в растворе.

Синтезированы новые полиядерные металлокомплексы с ионами Со (II), Ni(II) и Сu(II).

Термический анализ в диапазоне температур 50 - 500 ⁰С показал, что для полиядерных комплексов Сo(II) и Ni(II) наблюдается повышение, а для комплекса Cu(II) понижение температуры термолиза при переходе от полиэфирополипропановой к полиэфирополиакриловой кислоте с одинаковой степенью функционализации. Для всех комплексов полиэфирополиакриловых кислот и наблюдается возрастание термической устойчивости при увеличении степени функционализации платформы ГРПО, а, следовательно, содержания ионов металла в комплексе.

Методом ИК-спектроскопии установлено, что координационные полиэдры во всех гипрразветвленных полиэфирополипропионатах Co(II), Ni(II), Cu(II) имеют октаэдрическую симметрию с хелатной и бедентатно-мостиковой координацией иона металла через атомы кислорода терминальных карбоксильных групп. В гиперразветвленных полиэфирополиакрилатах Co(II), Ni(II), Cu(II) координационный узел имеет тетраэдрическую симметрию с хелатной координацией иона металла через атомы кислорода терминальных карбоксильных групп. 

Выявлена большая устойчивость гиперразветвленных полиэфирокарбоксилатов меди по сравнению с поликарбоксилатами кобальта и никеля того же состава.

Методом химического восстановления синтезированы композитные наночастицы меди сферической формы со средним гидродинамическим диаметром 110-220 нм в растворе (C=1.55±0.1e8 ч/мл).

Установлено, что полиэфирополикарбоновые кислоты, их металлополимерные комплексы и полимеркомпозитные наночастицы обладают антипротеиназной и противогрибковой активностью. Комплексы Cu(II) с полиэфирополикарбоновыми кислотами и наночастицы меди обладают антимикотической активностью преимущественно к грибам рода Candida. В то время как наночастицы меди на основе металлокомплексов проявляют большую активность к грибам рода Aspergillus и Penicillium.

White, T.C. Three distinct secreted aspartic proteinases in Candida albicans.
Кутырева, М.П. Металлосодержащие функционализированные полиэфирополиолы как основа новых гибридных биологически активных материалов.
Zagar E. Characterization of a commercial hyperbranched aliphatic polyester based on 2,2-bis(methylol)propionic acid.
Усманова, Г.Ш. Полиядерные комплексы кобальта (II) и меди (II) с гиперразветвленными полиэфирополикарбоновыми кислотами: дис.канд.хим.наук.
Нaüßler, M. Hyperbranched polymer containing transition metals: synthetic pathways and potential applicanions.
Помогайло, А.Д. Металлсодержащие мономеры и полимеры на их основе.
Ernst J. F. Transcription factors in Candida albicans - environmental control of morphogenesis .

The project is devoted to the synthesis and study of physicochemical properties of functional derivatives of hyperbranched polyesters, which include units of carboxylic acids, metal ions and nanoparticles. The methods to obtain polymermetallic complexes and polymer-composite nanoparticles of biophilic metals with tailor-made fungicidal and antiproteinase activity were determined. It was shown that copper complexes of polyacids exhibit antimycotic activity mainly against Candida fungi as well as polymer-composite copper nanoparticles demonstrate high activity against Aspergillus and Penicillium fungi.