PL249177B1

PL249177B1 - Method for producing a pH-responsive zeolite-polymer matrix based on calcium zeolite Ca-X

Info

Publication number: PL249177B1
Application number: PL449562A
Authority: PL
Inventors: Rafał Panek; Jakub Matusiak; Wojciech Franus; Agata Przekora-Kuśmierz; Paulina Kazimierczak; Alicja Wójcik
Original assignee: Politechnika Lubelska; Uniwersytet Medyczny W Lublinie
Priority date: 2024-08-22
Filing date: 2024-08-22
Publication date: 2026-03-09
Also published as: PL449562A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania matrycy zeolitowo-polimerowej na bazie zeolitu wapniowego Ca-X polegający na przygotowaniu matrycy, w której skład wchodzi: sproszkowany zeolit Na-X poddaje się dwukrotnej wymianie jonowej dodając w proporcji 1 część proszku do 20 części (w/o) wodnego roztworu chlorku wapnia o stężeniu 1 M, ciągle mieszając, w temperaturze poniżej 60°C, po czym otrzymany zeolit wapniowy Ca-X suszy się i rozdrabnia; sproszkowany zeolit Ca-X miesza się w proporcji 1 część proszku do 20 części (w/o) 1% roztworu chitozanu w kwasie octowym o stężeniu 0,1 M, po czym mieszając dodaje się wodnego roztworu wodorotlenku sodu o stężeniu 1 M w ilości 20 ml do uzyskania pH=9, a następnie zmodyfikowany zeolit odsącza się z roztworu, suszy i rozdrabnia otrzymując CaXCH, zaś w dalszej kolejności dodaje się wodny roztwór ryzedronianu sodu o stężeniu 7,5 mg/ml w proporcji 1 część proszku do 20 części roztworu (w/o) - mieszając w temperaturze pokojowej, po czym osad oddziela się i suszy w temperaturze poniżej 70°C do otrzymania stałej masy, następnie matrycę CaXCHRIS rozdrabnia się. Matryca zeolitowo-chitozanowa zawierająca ryzedronian sodu (CaXCHRIS) charakteryzuje się kontrolowanym uwalnianiem substancji leczniczej w zależności od pH środowiska.The subject of the invention is a method for producing a zeolite-polymer matrix based on calcium zeolite Ca-X, consisting in preparing a matrix comprising: powdered Na-X zeolite is subjected to double ion exchange by adding 1 part of the powder to 20 parts (w/v) of an aqueous solution of calcium chloride with a concentration of 1 M, with continuous stirring, at a temperature below 60°C, and then the obtained calcium zeolite Ca-X is dried and ground; Powdered Ca-X zeolite is mixed in a ratio of 1 part powder to 20 parts (w/v) of a 1% chitosan solution in 0.1 M acetic acid, then 20 ml of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution is added while stirring to obtain pH = 9, and then the modified zeolite is filtered from the solution, dried and ground to obtain CaXCH, and then an aqueous solution of 7.5 mg/ml sodium risedronate is added in a ratio of 1 part powder to 20 parts (w/v) solution - while stirring at room temperature, after which the precipitate is separated and dried at a temperature below 70°C until a constant mass is obtained, then the CaXCHRIS matrix is ground. The zeolite-chitosan matrix containing sodium risedronate (CaXCHRIS) is characterized by controlled release of the drug substance depending on the pH of the environment.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykorzystania zeolitu Na-X o typie struktury faujazytu (FAU) otrzymanego z wodnego roztworu odpadowego po syntezie zeolitów syntetycznych z popiołów lotnych poddanego wymianie jonowej do formy wapniowej Ca-X do produkcji matrycy zeolitowo-polimerowej reagującej na zmiany pH jako nośnika substancji leczniczej z grupy bisfosfonianów.The subject of the invention is a method of using Na-X zeolite of the faujasite structure type (FAU) obtained from an aqueous waste solution after the synthesis of synthetic zeolites from fly ash subjected to ion exchange to the calcium form Ca-X for the production of a zeolite-polymer matrix responsive to pH changes as a carrier of a medicinal substance from the bisphosphonate group.

Definicja zeolitów według Smitha i Brecka została opisana w Breck D.W., Zeolite Molecular Sieves, Structure Chemistry and Use, John Wiley & Sons, 1974. To glinokrzemiany o trójwymiarowym krystalicznym szkielecie tetraedrycznym zawierającym puste kanały i komory, w których znajdują się kationy i cząsteczki wody. W miejscu centralnym każdego tetraedru znajduje się atom krzemu lub glinu (zwany T-atomem). Tetraedry łączą się ze sobą za pośrednictwem atomów tlenu ulokowanych w narożach każdego z nich. Ogólny wzór chemiczny zeolitu ma postać:The definition of zeolites according to Smith and Breck was described in Breck D.W., Zeolite Molecular Sieves, Structure Chemistry and Use, John Wiley & Sons, 1974. They are aluminosilicates with a three-dimensional tetrahedral crystalline framework containing hollow channels and cavities containing cations and water molecules. At the center of each tetrahedron is a silicon or aluminum atom (called the T-atom). The tetrahedra are linked together via oxygen atoms located at each corner. The general chemical formula of a zeolite is:

Mx[(SiO₂)_T__xęAlO₂~)_x] yH₂O Z gdzie: M - kation metalu o wartościowości z; x - ilość tetraedrów AIO4; T - ilość wszystkich tetraedrów (suma liczby tetraedrów AIO4 i S1O4); y - ilość cząsteczek wody.Mx[(SiO ₂ ) _T _ _x ęAlO ₂ ~) _x ] yH ₂ OZ where: M - metal cation with valence z; x - number of AIO4 tetrahedra; T - number of all tetrahedra (sum of the number of AIO4 and S1O4 tetrahedra); y - number of water molecules.

Zeolit o strukturze faujazytu (FAU) charakteryzuje się szkieletem typu D6R i zbudowany jest z jednostek sodalitowych połączonych między sobą podwójnymi pierścieniami sześcioczłonowymi D6R. Ułożenie to tworzy superkomory o średnicy około 1,3 nm, które łączą się ze sobą czterema 12- członowymi pierścieniami o średnicy około 0,74 nm, będącymi porami wewnętrznymi struktury krystalicznej jak podaje Międzynarodowa Organizacja Zeolitowa - International Zeolite Association (http://www.iza-structure.org/databases/). Dla zachowania elektroobojętności ładunek glinu i krzemu zobojętniany jest pozasieciowymi kationami, najczęściej Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Kationy te ze względu na swoją mobilność bardzo łatwo ulegają wymianie.Faujasite zeolite (FAU) is characterized by a D6R-type skeleton and is composed of sodalite units interconnected by double six-membered D6R rings. This arrangement creates superchambers with a diameter of approximately 1.3 nm, which are interconnected by four 12-membered rings with a diameter of approximately 0.74 nm, which constitute the internal pores of the crystal structure, according to the International Zeolite Association (http://www.iza-structure.org/databases/). To maintain electroneutrality, the aluminum and silicon charges are neutralized by extra-lattice cations, most commonly Na ⁺ , Ca2 ⁺ , and Mg2 ⁺ . Due to their mobility, these cations are easily exchanged.

Wykorzystywany zeolit Na-X powstaje w wyniku zagospodarowania wodnego roztworu odpadowego po produkcji zeolitów syntetycznych z popiołów lotnych na podstawie zgłoszenia patentowego PL436212A1.The Na-X zeolite used is obtained by the management of an aqueous waste solution after the production of synthetic zeolites from fly ash based on patent application PL436212A1.

Chitozan (CH) jest naturalnym biopolimerem kationowym otrzymywanym w wyniku deacetylacji chityny w wyniku chemicznej lub enzymatycznej obróbki. Jest on rozpuszczalny w kwaśnym pH, a w większości przypadków jako rozpuszczalnik stosuje się wodne roztwory kwasu octowego. Wartość pKa chitozanu zawiera się pomiędzy pKa=6,3 a 7. Oznacza to, że powyżej pH = 7 grupy aminowe chitozanu nie są już protonowane, a on sam staje się nierozpuszczalny w roztworach wodnych. Ze względu na swoje właściwości chitozan jest powszechnie wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu oraz nauki, m.in. w farmacji, inżynierii materiałowej czy budownictwie.Chitosan (CH) is a natural cationic biopolymer obtained by deacetylation of chitin through chemical or enzymatic treatment. It is soluble at acidic pH, and aqueous acetic acid solutions are most often used as a solvent. The pKa value of chitosan is between pKa = 6.3 and 7. This means that above pH = 7, the amino groups of chitosan are no longer protonated, and it becomes insoluble in aqueous solutions. Due to its properties, chitosan is widely used in many industries and sciences, including pharmacy, materials engineering, and construction.

Leczenie osteoporozy jest ważnym zadaniem w światowym systemie opieki zdrowotnej. Ponieważ choroba wpływa bezpośrednio na kości człowieka, nieleczona może spowodować znaczne pogorszenie narządu ruchu, obniżając jakość życia pacjenta. Przeprowadzone przez Kraljević Pavelić S., Krpan D., Źuvić M., Eisenwagen S., Pavelić K., Front. Med. 9 (2022), https://doi.org//10.3389/fmed.2022.870962, testy kliniczne pozwoliły dowieść pozytywnego wpływu zeolitów w procesie leczenia kości u pacjentów chorych na osteoporozę. Na ich podstawie możliwe jest wyciągnięcie wniosków, że zastosowanie zeolitów jako rozpuszczalnej formy krzemionki korzystnie wpływa na regenerację kości i proces ich przebudowy. Fabiano i wsp. w pracy Fabiano A., Piras A.M., Calderone V., Testai L., Flori L., Puppi D., Chiellini F., Zambito Y., Nutrients 11 (2019) 2467, https://doi.org//10.3390/nu11102467, potwierdzili, że naturalny zeolit (klinoptylolit) może być skutecznie stosowany jako system dostarczania wapnia charakteryzujący się jego przedłużonym uwalnianiem i zmniejszonymi skutkami ubocznymi. Badania na zwierzętach wykazały, że bogate w wapń granulki zeolitu można stosować w profilaktyce osteoporozy ze względu na zwiększenie poziomu osteokalcyny, która jest związana z procesami przebudowy kości. W pracy Sandomierski M., Adamska K., Ratajczak M., Voelkel A., International Journal of Biological Macromolecules 223 (2023) 812-820 opisano syntezę scaffoldu zawierającego nośnik w postaci zeolitu X, do którego przyłączono bezpośrednio substancję lecznicą (ryzedronian sodu), a uwalnianie zachodziło na skutek wymiany jonowej w pH 7.4. Opisany w artykule Sandomierski M., Jakubowski M., Ratajczak M., Pokora M., Zielińska M., Voelkel A., Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 111 (2023) 1005-1014, mechanizm polegał na syntezie nośnika zeolitowego z wymienionymi w strukturze jonami dwuwartościowymi przy czym uwalnianie substancji leczniczej następowało również na skutek wymiany jonowej w pH równym 7.4. W artykule Sandomierski M., Zielińska M., Voelkel A., International Journal of Pharmaceutics 578 (2020)Treating osteoporosis is a critical challenge in the global healthcare system. Because the disease directly affects a person's bones, if left untreated, it can significantly impair the musculoskeletal system, reducing the patient's quality of life. Clinical trials conducted by Kraljević Pavelić S., Krpan D., Źuvić M., Eisenwagen S., Pavelić K., Front. Med. 9 (2022), https://doi.org//10.3389/fmed.2022.870962, demonstrated the positive impact of zeolites on bone healing in patients with osteoporosis. Based on these studies, it can be concluded that the use of zeolites as a soluble form of silica has a beneficial effect on bone regeneration and remodeling. Fabiano et al. in the work of Fabiano A., Piras A.M., Calderone V., Testai L., Flori L., Puppi D., Chiellini F., Zambito Y., Nutrients 11 (2019) 2467, https://doi.org//10.3390/nu11102467, confirmed that natural zeolite (clinoptilolite) can be effectively used as a calcium delivery system characterized by its prolonged release and reduced side effects. Animal studies have shown that calcium-rich zeolite granules can be used in the prevention of osteoporosis due to the increase in the level of osteocalcin, which is associated with bone remodeling processes. The paper by Sandomierski M., Adamska K., Ratajczak M., Voelkel A., International Journal of Biological Macromolecules 223 (2023) 812-820 describes the synthesis of a scaffold containing a zeolite X carrier to which a drug substance (sodium risedronate) was directly attached, and the release occurred as a result of ion exchange at pH 7.4. The mechanism described in the paper by Sandomierski M., Jakubowski M., Ratajczak M., Pokora M., Zielińska M., Voelkel A., Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 111 (2023) 1005-1014 consisted in the synthesis of a zeolite carrier with divalent ions listed in the structure, with the release of the drug substance also occurring as a result of ion exchange at pH 7.4. In the article Sandomierski M., Zielińska M., Voelkel A., International Journal of Pharmaceutics 578 (2020)

119117, opisali syntezę nośników zeolitowych w formie wapniowej (zeolit a i X) do uwalniania ryzedronianu sodowego w pH=7.4. Uwalnianie zachodziło na zasadzie wymiany jonowej ze względu, że substancja czynna była bezpośrednio przyłączona do zeolitu. W pracach Sandomierski M., Zielińska M., Voelkel A., Materials Chemistry Frontiers 5 (2021) 5718-5725 i Sandomierski M., Stachowicz W., Patalas A., Grochalski K., Graboń W., Voelkel A., Materials 16 (2023) 1710, ukazano możliwość modyfikacji implantów tytanowych przy pomocy powłok zawierających wapniowe, magnezowe i cynkowe formy sodalitu jako materiał umożliwiający uwalnianie ryzedronianu sodu w celach leczniczych.119117, described the synthesis of zeolite carriers in the calcium form (zeolite a and X) for the release of sodium risedronate at pH = 7.4. The release occurred via ion exchange due to the active substance being directly attached to the zeolite. In the works by Sandomierski M., Zielińska M., Voelkel A., Materials Chemistry Frontiers 5 (2021) 5718-5725 and Sandomierski M., Stachowicz W., Patalas A., Grochalski K., Graboń W., Voelkel A., Materials 16 (2023) 1710, the possibility of modifying titanium implants with coatings containing calcium, magnesium, and zinc forms of sodalite was shown as a material enabling the release of sodium risedronate for therapeutic purposes.

Z opisu patentowego PL242079B1 znana jest metoda wytwarzania materiału tytanowego z warstwą zeolitową i przyłączonym lekiem (bisfosfonianem, w postaci ryzedronianu). Materiał tytanowy umieszcza się w mieszaninie glinianu sodu, krzemianu sodu i wodorotlenku sodu w podwyższonej temperaturze. Materiał poddaje się wymianie jonowej z jonami dwuwartościowymi (wapnia). Następnie przyłącza się bisfosfonian do powierzchni stopu umieszczając materiał tytanowy po wymianie jonowej w roztworze ryzedronianu na tydzień w temperaturze 35°C.Patent description PL242079B1 describes a method for producing a titanium material with a zeolite layer and an attached drug (bisphosphonate, in the form of risedronate). The titanium material is placed in a mixture of sodium aluminate, sodium silicate, and sodium hydroxide at an elevated temperature. The material is ion-exchanged with divalent ions (calcium). The bisphosphonate is then attached to the alloy surface by placing the ion-exchanged titanium material in a risedronate solution for a week at 35°C.

Z aktualnego stanu wiedzy nie jest znany sposób wytwarzania reagującej na zmiany pH matrycy zeolitowo-polimerowej na bazie zeolitu wapniowego Ca-X jako nośnika substancji leczniczej z grupy bisfosfonianów. Istniejące dane literaturowe i patentowe nie ukazują procesu wytwarzania matrycy zeolitowo-chitozanowej zawierającej lek z grupy bisfosfonianów reagującej na zmiany pH w celu kontrolowanego uwalniania. W wyniku oddziaływań chemicznych pomiędzy zeolitem zmodyfikowanym chitozanem a ryzedronianem dochodzi do utworzenia trójskładnikowego kompleksu wrażliwego na zmiany pH. Tego typu rozwiązanie pozwala na uzyskanie materiału jako inteligentnego nośnika uwalniającego lek w zależności od pH miejscowego mikrośrodowiska. Umożliwia to nacelowane dostarczanie leku w zależności od zapotrzebowania. W pH powyżej 7 chitozan występuje w formie nierozpuszczalnej, a w wyniku obniżenia pH w zakresie 4-7 obserwuje się stopniowe rozpuszczalnie łącznika chitozanowego i uwolnienie leku.Current knowledge does not provide a method for producing a pH-responsive zeolite-polymer matrix based on calcium zeolite (Ca-X) as a carrier for a bisphosphonate drug substance. Existing literature and patent data do not demonstrate the production of a zeolite-chitosan matrix containing a bisphosphonate drug that responds to pH changes for controlled release. Chemical interactions between the chitosan-modified zeolite and risedronate result in the formation of a ternary complex sensitive to pH changes. This approach allows for the creation of a material that acts as an intelligent carrier for drug release depending on the pH of the local microenvironment. This enables targeted drug delivery based on demand. At pH above 7, chitosan is insoluble, and as the pH decreases to 4-7, gradual dissolution of the chitosan linker and drug release is observed.

Celem wynalazku jest wytworzenie matrycy zeolitowo-polimerowej na bazie zeolitu wapniowego Ca-X zawierającej ryzedronian sodu jako substancję leczniczą z grupy bisfosfonianów.The aim of the invention is to produce a zeolite-polymer matrix based on calcium zeolite Ca-X containing sodium risedronate as a medicinal substance from the bisphosphonate group.

Istotą sposobu wytwarzania reagującej na zmiany pH matrycy zeolitowo-polimerowej na bazie zeolitu wapniowego Ca-X jest to, że przygotowuje się matrycę, w której skład wchodzi sproszkowany zeolit Na-X, który poddaje się dwukrotnej wymianie jonowej dodając w proporcji 1 część proszku do 20 części (w/o) wodnego roztworu chlorku wapnia o stężeniu 1 M, ciągle mieszając, w temperaturze poniżej 60°C, po czym otrzymany zeolit wapniowy Ca-X suszy się i rozdrabnia. Sproszkowany zeolit Ca-X miesza się w proporcji 1 część proszku do 20 części (w/o) 1% roztworu chitozanu w kwasie octowym o stężeniu 0,1 M, po czym mieszając dodaje się wodnego roztworu wodorotlenku sodu o stężeniu 1 M w ilości 20 ml do uzyskania pH=9. W dalszej kolejności zmodyfikowany zeolit odsącza się z roztworu, suszy i rozdrabnia otrzymując CaXCH. Następnie dodaje się wodny roztwór ryzedronianu sodu o stężeniu 7,5 mg/ml w proporcji 1 część proszku do 20 części roztworu (w/o) - mieszając w temperaturze pokojowej, po czym osad oddziela się i suszy w temperaturze poniżej 70°C do otrzymania stałej masy, następnie matrycę CaXCHRIS rozdrabnia się.The essence of the method for producing a pH-responsive zeolite-polymer matrix based on calcium zeolite Ca-X is to prepare a matrix comprising powdered Na-X zeolite, which is subjected to double ion exchange by adding 1 part of the powder to 20 parts (w/v) of a 1 M aqueous calcium chloride solution under continuous stirring at a temperature below 60°C, after which the resulting calcium zeolite Ca-X is dried and ground. Powdered Ca-X zeolite is mixed in a ratio of 1 part of the powder to 20 parts (w/v) of a 1% chitosan solution in 0.1 M acetic acid, and then 20 ml of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution is added under stirring to obtain a pH of 9. The modified zeolite is then filtered from the solution, dried, and ground to obtain CaXCH. An aqueous solution of sodium risedronate at a concentration of 7.5 mg/ml is then added at a ratio of 1 part powder to 20 parts solution (w/v) while stirring at room temperature. The precipitate is then separated and dried at a temperature below 70°C until a constant mass is obtained. The CaXCHRIS matrix is then ground.

Korzystnym skutkiem zastosowania wynalazku jest otrzymanie matrycy umożliwiającej kontrolowane uwalnianie substancji leczniczej w zależności od pH środowiska. Zastosowany linker w postaci chitozanu pozwala kontrolować uwalnianie ryzedronianu w odpowiedzi na zmiany pH. Znanym jest fakt, że rozpuszczalność chitozanu zależy pośrednio od stopnia deacetylacji chityny oraz bezpośrednio od pH otoczenia. Chitozan nie jest rozpuszczalny w wodzie, natomiast jest rozpuszczalny w kwasach nieorganicznych i organicznych. Najczęściej wykorzystuje się kwas octowy. W środowisku kwaśnym grupy aminowe obecne w łańcuchu polimerowym ulegają protonowaniu w wyniku czego wzrasta hydrofilowość makromolekuł, a sam polimer staje się rozpuszczalny. Wykorzystanie tej właściwości pozwala na zaprojektowanie nośnika, w którym chitozan pełni rolę łącznika pomiędzy ciałem stałym a lekiem. W pH powyżej pKa chitozanu - powyżej 7, polimer znajdujący się na powierzchni jest nierozpuszczalny. Obniżenie pH prowadzi do protonacji grup aminowych oraz stopniowego rozpuszczania chitozanu. Skutkuje to uwolnieniem leku. Schematyczny przebieg procesu ukazano na Fig. 1. Kolejną zaletą wynalazku jest fakt, że wykorzystywany zeolit powstał z materiału odpadowego jakim był roztwór po produkcji zeolitów popiołowych na podstawie opisu zgłoszenia patentowego PL436212A1.A beneficial effect of the invention is the creation of a matrix enabling controlled release of the drug substance depending on the environmental pH. The chitosan linker allows for controlled release of risedronate in response to changes in pH. It is known that chitosan solubility depends indirectly on the degree of chitin deacetylation and directly on the ambient pH. Chitosan is insoluble in water, but is soluble in inorganic and organic acids. Acetic acid is most commonly used. In an acidic environment, the amino groups present in the polymer chain are protonated, resulting in increased hydrophilicity of the macromolecules and the polymer itself becoming soluble. Utilizing this property allows for the design of a carrier in which chitosan acts as a link between the solid and the drug. At a pH above the pKa of chitosan (above 7), the polymer on the surface is insoluble. Lowering the pH leads to protonation of the amino groups and gradual dissolution of the chitosan, resulting in drug release. The schematic course of the process is shown in Fig. 1. Another advantage of the invention is the fact that the zeolite used was made from waste material, which was a solution from the production of ash zeolites based on the description of patent application PL436212A1.

Wyniki pomiarów sposobu wytwarzania reagującej na zmiany pH matrycy zeolitowo-polimerowej zostały przedstawione na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają:The measurement results of the method for producing a pH-responsive zeolite-polymer matrix are presented in the figure, where the individual figures represent:

Fig. 1 - Schemat ukazujący proces uwalniania leku w zależności od pH mikrośrodowiska.Fig. 1 - Scheme showing the drug release process depending on the pH of the microenvironment.

Fig. 2 - Porównanie widm FTIR-PAS zeolitu Ca-X oraz modyfikowanego chitozanem CaXCH.Fig. 2 - Comparison of FTIR-PAS spectra of Ca-X zeolite and chitosan-modified CaXCH.

Fig. 3 - Porównanie zawartości składników materiału wyjściowego modyfikowanego chitozanem (CaXCH) oraz materiału modyfikowanego chitozanem oraz ryzedronianem (CaXCHRIS).Fig. 3 - Comparison of the content of components of the starting material modified with chitosan (CaXCH) and the material modified with chitosan and risedronate (CaXCHRIS).

Fig. 4 - Profile uwalniania ryzedronianu z matrycy CaXCHRIS w pH 4; 5,5 oraz 7,4.Fig. 4 - Release profiles of risedronate from CaXCHRIS matrix at pH 4; 5.5 and 7.4.

PrzykładExample

Etap 1: w szklanej zlewce o objętości o objętości 0,5 I umieszczono 10 g sproszkowanego poprzez utarcie w moździerzu agatowym przez 3 minuty zeolitu Na-X oraz 0,2 I roztworu chlorku wapnia o stężeniu 1 M. Tak przygotowaną suspensję mieszano przy użyciu mieszadła magnetycznego IKA C- MAG HS 7 przy 500 rpm przez 4 godziny w temperaturze 60°C. Po upływie czasu rozdzielono suspensję poprzez odwirowanie w wirówce laboratoryjnej MPW-351 przez 5 minut przy 10 000 rpm, a otrzymany osad wysuszono w temperaturze 70°C w suszarce laboratoryjnej POL-EKO, model SLW przez 24 h. Następnie osad ucierano w moździerzu agatowym przez 3 minuty. Procedurę powtórzono jeszcze jeden raz. Tak otrzymany produkt - zeolit Ca-X - wykorzystano w kolejnym etapie syntezy.Step 1: In a 0.5 L glass beaker, 10 g of Na-X zeolite, ground by grinding it in an agate mortar for 3 minutes, and 0.2 L of 1 M calcium chloride solution were placed. The suspension thus prepared was stirred using an IKA C-MAG HS 7 magnetic stirrer at 500 rpm for 4 hours at 60°C. After the time had elapsed, the suspension was separated by centrifugation in an MPW-351 laboratory centrifuge for 5 minutes at 10,000 rpm, and the resulting precipitate was dried at 70°C in a POL-EKO laboratory dryer, model SLW, for 24 hours. The precipitate was then ground in an agate mortar for 3 minutes. The procedure was repeated once more. The resulting product – Ca-X zeolite – was used in the next stage of the synthesis.

Etap 2: w zlewce szklanej o objętości 0,5 I zawierającej 0,2 I 1% roztworu chitozanu w kwasie octowym o stężeniu 0,1 M umieszczono 10 g zeolitu Ca-X sproszkowanego poprzez utarcie w moździerzu agatowym przez 3 minuty. Tak przygotowaną substancję mieszano przy użyciu mieszadła magnetycznego IKA C-MAG HS 7 przy 500 rpm przez 5 godzin w temperaturze pokojowej w zakresie 20- 25°C. Następnie dodawano wodny roztwór wodorotlenku sodu o stężeniu 1 M w ilości 20 ml aby uzyskać pH suspensji wynoszące 9 zmierzone przy pomocy pH-metru Elmetron CP-501. Tak przygotowaną mieszaninę przesączono pod zmniejszonym ciśnieniem przy użyciu kolby ssawkowej, lejka Buchnera oraz sączka papierowego jakościowego o średnicy 150 mm firmy Ahlstrom Munktell. Uzyskany w ten sposób materiał w postaci serowatego osadu przepłukano przy użyciu 1 I wody destylowanej do pH supernatantu zawierającego się pomiędzy pH=6-7. Pomiaru pH dokonano przy użyciu laboratoryjnego papierka wskaźnikowego pH-Fix 0-14 firmy Macherey-Nagel. Osad umieszczono na szklanej szalce i wstawiono do suszarki laboratoryjnej POL-EKO, model SLW rozgrzanej do temperatury 70°C. Temperaturę utrzymywano przez 12 h. Po wyjęciu produkt CaXCH ucierano w moździerzu agatowym przez 3 minuty.Step 2: In a 0.5 L glass beaker containing 0.2 L of a 1% chitosan solution in 0.1 M acetic acid, 10 g of Ca-X zeolite, powdered, was placed by grinding in an agate mortar for 3 minutes. The prepared substance was stirred using an IKA C-MAG HS 7 magnetic stirrer at 500 rpm for 5 hours at room temperature in the range of 20-25°C. Then, 20 ml of a 1 M aqueous sodium hydroxide solution was added to obtain a suspension pH of 9, measured using an Elmetron CP-501 pH meter. The prepared mixture was filtered under reduced pressure using a suction flask, a Buchner funnel, and a 150 mm diameter qualitative filter paper from Ahlstrom Munktell. The resulting curd-like precipitate was rinsed with 1 L of distilled water until the supernatant pH was between 6 and 7. pH was measured using Macherey-Nagel pH-Fix 0-14 laboratory indicator paper. The precipitate was placed on a glass dish and placed in a POL-EKO model SLW laboratory dryer heated to 70°C. The temperature was maintained for 12 hours. After removal, the CaXCH product was ground in an agate mortar for 3 minutes.

Etap 3: Następnie w zlewce szklanej o objętości 0,1 I zawierającej 0,04 I wodnego roztworu ryzedronianu sodu o stężeniu 7,5 mg/ml umieszczono 2 g utartego w moździerzu agatowym na proszek sfunkcjonalizowanego chitozanem zeolitu CaXCH. Substancję mieszano przy użyciu mieszadła magnetycznego IKA C-MAG HS 7 przy 500 rpm przez 5 godzin w temperaturze pokojowej w zakresie 20- 25°C. Następnie oddzielono osad od roztworu poprzez odwirowanie w wirówce laboratoryjnej MPW-351 przez 5 minut przy 10 000 rpm. Roztwór znad osadu usunięto, a osad umieszczono na szklanej szalce i wstawiono do suszarki laboratoryjnej POL-EKO, model SLW rozgrzanej do temperatury 70°C. Temperaturę utrzymywano przez 12 h. Po wyjęciu matrycę CaXCHRIS ucierano w moździerzu agatowym przez 3 minuty.Step 3: Next, 2 g of chitosan-functionalized CaXCH zeolite, ground to a powder in an agate mortar, was placed in a 0.1 L glass beaker containing 0.04 L of an aqueous solution of sodium risedronate at a concentration of 7.5 mg/ml. The substance was stirred using an IKA C-MAG HS 7 magnetic stirrer at 500 rpm for 5 hours at room temperature in the range of 20-25°C. The precipitate was then separated from the solution by centrifugation in an MPW-351 laboratory centrifuge for 5 minutes at 10,000 rpm. The supernatant solution was removed, and the precipitate was placed on a glass dish and placed in a POL-EKO laboratory drying oven, model SLW, heated to 70°C. The temperature was maintained for 12 h. After removal, the CaXCHRIS matrix was ground in an agate mortar for 3 minutes.

Uzyskany materiał poddano badaniom. Widma FTIR-PAS (Fig. 2) otrzymano przy pomocy spektrometru Nicolet 8700 firmy Thermo Scientific z przystawką fotoakustyczną MTEC Model 300 stosując procedurę zawartą w instrukcji. Na widmach po modyfikacji zaobserwowano charakterystyczne drgania rozciągające C-H 2875 cm^-1 pochodzące od grup alkilowych łańcucha polimerowego chitozanu (Fig. 2). Ponadto zaobserwowano charakterystyczne pasma odpowiadające drganiom: pasmo amidowe II 1547 cm^-1, C-H 1420 cm^-1, C-O 1375 cm^-1, C-N 1315 cm^-1 świadczące o skutecznej modyfikacji zeolitu chitozanem. Modyfikację materiału przy użyciu leku - ryzedronianu sodu - potwierdzono na podstawie obecności fosforu w próbce wykorzystując fluorescencyjną analizę rentgenowską przy pomocy spektrometru Epsilon 3x Panalytical stosując procedurę zawartą w instrukcji (Fig. 3). Zaobserwowano wzrost zawartości fosforu świadczący o efektywnej modyfikacji materiału przez ryzedronian sodu. Uwalnianie ryzedronianu sodu z wyprodukowanej matrycy przeprowadzono w trzech wartościach pH: 7,4 w buforowanej fosforanem soli fizjologicznej do hodowli komórkowych z solami wapnia i magnezu, DPBS, 5,5 w buforze cytrynianowym oraz 4 w buforze cytrynianowym. Na podstawie badań potwierdzono, że otrzymana matryca umożliwia uwalnianie leku w sposób kontrolowany w zależności od pH otoczenia (Fig. 4). W pH 7,4 możliwe było uwolnienie tylko ok. 30% leku związanego bezpośrednio z powierzchnią zeolitu, bądź też wytrąconego podczas syntezy. W przypadku pH 5,5 po upływie około 120 minut uwolnione zostało ok. 80-90% leku. Wynikało to z zaprojektowanej struktury matrycy polegającej na rozpuszczeniu łącznika chitozanowego w kwaśnym pH. Obniżenie pH do wartości 4,0 umożliwiło uwolnienie ok. 80% leku już po 10 minutach.The obtained material was subjected to tests. FTIR-PAS spectra (Fig. 2) were obtained using a Thermo Scientific Nicolet 8700 spectrometer with an MTEC Model 300 photoacoustic attachment, using the procedure included in the manual. In the spectra after modification, characteristic stretching vibrations of CH 2875 cm ^-1 originating from the alkyl groups of the chitosan polymer chain were observed (Fig. 2). In addition, characteristic bands corresponding to the vibrations of amide II 1547 cm ^-1 , CH 1420 cm ^-1 , CO 1375 cm ^-1 , and CN 1315 cm ^-1 were observed, indicating effective modification of the zeolite with chitosan. Modification of the material with the drug sodium risedronate was confirmed by the presence of phosphorus in the sample using X-ray fluorescence analysis with an Epsilon 3x Panalytical spectrometer, using the procedure included in the manual (Fig. 3). An increase in phosphorus content was observed, indicating effective modification of the material by sodium risedronate. Release of sodium risedronate from the produced matrix was carried out at three pH values: 7.4 in phosphate-buffered saline for cell cultures with calcium and magnesium salts, DPBS, 5.5 in citrate buffer, and 4 in citrate buffer. The studies confirmed that the obtained matrix enables controlled drug release depending on the ambient pH (Fig. 4). At pH 7.4, only approximately 30% of the drug directly bound to the zeolite surface or precipitated during synthesis was released. At pH 5.5, approximately 80-90% of the drug was released after approximately 120 minutes. This resulted from the designed matrix structure, which involved dissolution of the chitosan linker at acidic pH. Lowering the pH to 4.0 enabled the release of approximately 80% of the drug after just 10 minutes.

Claims

1. A method for producing a pH-responsive zeolite-polymer matrix based on calcium zeolite Ca-X, characterized in that a matrix is prepared which comprises: - powdered Na-X zeolite, which is subjected to double ion exchange by adding 1 part of the powder to 20 parts (w/v) of an aqueous solution of calcium chloride with a concentration of 1 M, under continuous stirring, at a temperature below 60°C, and then the obtained calcium zeolite Ca-X is dried and ground;

- powdered Ca-X zeolite, which is mixed in the proportion of 1 part of powder to 20 parts (w/o) of a 1% solution of chitosan in 0.1 M acetic acid, then 20 ml of an aqueous solution of 1 M sodium hydroxide is added under stirring to obtain pH = 9, and then the modified zeolite is filtered from the solution, dried and crushed to obtain CaXCH, and then an aqueous solution of sodium risedronate with a concentration of 7.5 mg/ml is added in the proportion of 1 part of powder to 20 parts of the solution (w/o) - under stirring at room temperature, after which the precipitate is separated and dried at a temperature below 70°C until a constant mass is obtained, then the CaXCHRIS matrix is crushed.