Charakterystyka liotropowych faz ciekłokrystalicznych

Wpływ kluczowych warunków środowiskowych na rodzaj tworzonych mezofaz określony jest na odpowiednich diagramach fazowych, które zostały sporządzone dla szeregu funkcjonalnych lipidów. Jednym z najczęściej używanych lipidów do otrzymywania liotropowych faz ciekłokrystalicznych jest monooleinian gliceryny (monooleina, GMO).

W strukturze GMO można wyróżnić łańcuch węglowodorowy (pochodzący od kwasu oleinowego), który jest połączony wiązaniem estrowym z glicerolem (Rysunek 13). Decyduje to o właściwościach amfifliowych lipidu.

26 Rysunek 13. Struktura GMO.

W temperaturze pokojowej GMO występuje w formie stałej o białej lub lekko żółtej barwie.

Temperatura topnienia GMO to 35-37 °C. Monooleina to nietoksyczny, wysoce biomompatybilny i biodegradowalny lipid, który wykazuje unikalny i szeroki polimorfizm.

Została wprowadzona do przemysłu spożywczego w latach pięćdziesiątych XX wieku jako środek emulgujący i dodatek do żywności, a obecnie jest również powszechnie stosowanym składnikiem w przemyśle kosmetycznym.

W obecności wody cząsteczki monooleiny ulegają samoorganizacji, tworząc układy ciekłokrystaliczne o różnej geometrii i symetrii. W zależności od temperatury i ilości wody można otrzymać konkretny rodzaj mezofazy, co zobrazowane jest na diagramie fazowym przedstawionym na Rysunku 14. [122]

Rysunek 14. Diagram fazowy dla układu monooleina/woda. [123]

W temperaturze pokojowej, przy małej zawartości wody w układzie (mniej niż 25 %) można otrzymać fazy lamelarne. Zwiększenie ilości wody w układzie skutkuje przejściem fazowym

27 do fazy kubicznej o symetrii śrubowej (Ia3d). Dalszy wzrost uwodnienia powoduje powstanie fazy kubicznej o symetrii diamentowej (Pn3m), która jest stabilna w nadmiarze wody. Wzrost temperatury do ponad 90 °C stopni powoduje przejście fazowe do fazy heksagonalnej (H2), którą również cechuje termodynamiczna stabilność w nadmiarze wody. Fazę heksagonalną można otrzymać również w temperaturze pokojowej przez zastosowanie dodatkowych domieszek. Dalsze zwiększanie temperatury oraz ilości wody powoduje przejście fazowe do cieczy izotropowej (FI).

Wpływ temperatury na strukturę liotropowych ciekłych kryształów (LLC) może być wyjaśniony przez koncepcję CPP. Wzrost temperatury prowadzi do zmniejszenia uwodnienia polarnej części lipidu, a w konsekwencji do zmniejszenia kanału wodnego. Wzrost temperatury ma również wpływ na hydrofobową część, powodując skrócenie długości ogonów lipidowych, przy jednoczesnym zwiększeniu ich objętości. Wzrost temperatury prowadzi zatem do zwiększenia wartości CPP. [124] Qiu i współpracownicy otrzymali LLC w temperaturze wynoszącej 0 °C. Próbki następnie były przechowywane w temperaturze 4 °C i 20 °C. Ustalono, że podczas przechowywania próbki w niższej temperaturze powstawała faza lamelarna, a następnie, wraz ze zwiększeniem temperatury, następowało przejście fazowe do fazy kubicznej. [122]

Kolejnym często stosowanym lipidem do otrzymywania mezofaz jest fitantriol (PT), którego strukturę przedstawiono na Rysunku 15.

Rysunek 15. Struktura PT.

Przejścia fazowe w układzie PT/woda są podobne do tych, które obserwuje się w układzie GMO/woda. [125] PT nie zawiera w swojej strukturze wiązania estrowego i dlatego nie jest podatny na hydrolizę w warunkach in vivo, co zwiększa stabilność formulacji opartych o PT.

Jednakże może wpływać na zwiększoną toksyczność [126,127] i niekompletne uwalnianie leku. [128]

2.2.3.1 Faza lamelarna

Faza lamelarna wykazuje jednowymiarowy porządek dalekiego zasięgu i składa się z szeregu płaskich dwuwarstw lipidowych oddzielonych od siebie warstwą wody. Część hydrofilowa monowarstwy (polarne „głowy”) ulożone są tak, aby zasłaniać hydrofobowe

28 łańcuchy przed kontakem z wodą. Faza lamelarna nie jest zakrzywiona ani w kierunku części hydrofobowej, ani hydrofilowej. Cechuje ją optyczna anizotropia i dwójłomność. Ponadto faza lamelarna wykazuje stosunkowo niską lepkość w porównaniu z fazami otrzymanymi przy wyższej zawartości wody w układzie. Można wyróżnić fazę lamelarną ciekłą (Lα), żelową (Lβ) oraz krystaliczną (LC), które są przedstawione na Rysunku 16.

Rysunek 16. Struktura i rodzaje fazy lamelarnej. [129]

Zmiany środowiska zewnętrznego, np. wzrost temperatury, powodują zmianę płynności fazy.

Ogrzewanie powoduje przejście z fazy krystalicznej LC do fazy żelowej Lβ, a dalsze ogrzewanie prowadzi do ciekłej fazy lamelarnej Lα. Faza Lα jest najczęściej przyjmowaną fazą przez błony biologiczne. [130]

Najszerzej badaną fazą lameralną do zastosowań w nanomedycynie są limposomy. Liposomy to nanocząstki zbudowane z fosfolipidów, które orientują się tworząc dwuwarstwę lipidową.

[131] Ułożenie lipidów pozwala na unireuchomienie leków hydrofilowych w rdzeniu liposomu i leków hydrofobowych w dwuwarstwie lipidowej. Powierzchnia liposomów może być modyfikowania, w celu zapewnienia odpowiedniego transpotu nośników do komórek nowotworowych. Zastosowanie odpowiednich domieszek (np. ligandów lub naładowanych lipidów) oraz opłaszczenie powierzchni glikolem polietylenowym wpływa na zwiększenie stabilności liposomów, co zapewnia zmniejszenie toksyczności enkapsulowanych leków. [132]

2.2.3.2 Faza heksagonalna

Faza heksagonalna zbudowana jest z cząsteczek tworzących cylindryczne agregaty ułożone na dwuwymiarowej sześciokątnej sieci. Można wyróżnić dwa rodzaje faz heksagonalnych: fazy odwrócone (H2) oraz fazy normalne (H1). Fazy odwrócone posiadają ujemną krzywiznę, a wnętrze cylindra stanowi część wodna. Natomiast fazy normalne cechuje dodatnia krzywizna, a część hydrofobowa (węglowodorowe łańcuchy) znajdują się wewnątrz

29 cylindra. [133,134] Struktury zostały przedstawione na Rysunku 17. Dyspersja fazy heksagonalnej w roztworze wodnym prowadzi do powstania nanocząstek zwanych heksosomami. [135]

Rysunek 17. Struktura odwróconej fazy heksagonalnej (H2) oraz normalnej fazy heksagonalnej (H1). [136]

2.2.3.3 Faza kubiczna

Pośród wszystkich liotropowych ciekłych kryształów, fazy kubiczne (LCPs) mają najbardziej złożoną strukturę. Fazy kubiczne można podzielić na dwuciągłe oraz micelarne.

W strukturze odwróconych dwuciągłych faz kubicznych wyróżnić można układ dwóch, niezależnych od siebie, nieprzecinających się kanałów wodnych (o średnicy w zakresie od ok.

4 do 20 nm), otoczonych dwuwarstwą lipidową (o grubości ok. 3,5 nm). [137] Takie układy cechuje dalekosiężne uporządkowanie wewnętrzne oraz rozbudowana powierzchnia wewnętrzna (400 m²/g). Odwrócone dwuciągłe fazy kubiczne mogą różnić się symetrią, a wśród nich można wyszczególnić:

a) fazę o symetrii diamentowej Pn3m (Q2D), w której kąt zbiegania kanałów wodnych w węźle wynosi 109,5 °C. Fazy kubiczne o tej symetrii są stabilne w nadmiarze wody.

b) fazę o symetrii prymitywnej Im3m (Q2P), w której kanały wodne zbiegają się prostopadle w węźle (90 °C)

c) fazę o symetrii śrubowej Ia3d (Q2G), w której kanały wodne zbiegają się w węźle pod kątem 120 °C

Na Rysunku 18 przedstawiono odwrócone dwuciągłe fazy kubiczne z krystalograficzną grupą przestrzenną Pn3m, Im3m oraz Ia3d. Dwuciągłe fazy kubiczne cechuje duża metastabilność.

Takie fazy występują w formie lepkiego żelu i są biodegradowalne.

30 Rysunek 18. Struktury odwróconych dwuciągłych faz kubicznych o symetrii diamentowej (Pn3m), prymitywnej (Im3m) oraz śrubowej (Ia3d). [138]

Możliwe jest również występowanie dwuciągłej fazy, którą określa się mianem „gąbki”

(ang. sponge, L3). Faza ta powstaje w określonych warunkach w wyniku dodania składnika, który powoduje „pęcznienie” fazy kubicznej i zmniejsza krzywiznę na granicy lipid/woda, co pozwala na otrzymanie fazy z szerszymi kanałami wodnymi. Taką fazę cechuje większa płynność i brak uporządkowania w porównaniu do odwróconej fazy kubicznej. [123,139]

Fazy nielamelarne mają istotne znaczenie biologiczne, ze względu na to, że ich powstawanie jest niezbędne do zajścia wielu ważnych procesów biologicznych, takich jak egzocytoza, endocytoza, fuzja wirusowa, podział komórek i funkcjonowanie białek. [140]

Formowanie faz kubicznych zostało zaobserwowane również podczas trawienia tłuszczów [120] oraz w ekstraktach lipidowych pozyskanych z A. Laidlawii i E. coli. [141] Mikronowej wielkości fazy kubiczne obecne są w wewnętrznych błonach mitochondrialnych ameb [142], jak również w zorganizowanym gładkim retikulum endoplazmatycznym. Ponadto, kolor skrzydeł niektórych gatunków motyli jest rezultatem występowania na ich powierzchni kryształów fotonicznych, które powstają na skutek organizacji chitynowych śrubowych sieci kubicznych w retikulum endoplazmatycznym. [143]