Raman analysis of the interaction dynamics between hydrated hydroxypropyl cellulose and selected amino acids

Spektroskopia ramanowska od lat stosowana jest do wszelkich badań spektroskopowych na układach, ze względu na możliwość przeprowadzania eksperymentu w środowisku wodnym. Niniejsza praca skupia się na dogłębnej analizie dynamiki układu składającego się z uwodnionej hydroksypropylocelulozy (HPC) oraz wybranych aminokwasów – tyrozyny i fenyloalaniny. Polimer ten, na przestrzeni ostatnich lat, badany jest pod kątem celowanego dostarczania leków, głównie tych hydrofobowych. Celem przeprowadzonego badania było poznanie zachowania systemu w obecności wody, co może posłużyć do ustalenia mechanizmów m.in związanych z uwalnianiem substancji czynnej. Przygotowano próbki składające się z HPC i aminokwasu (w stosunku 1:1) oraz wody. Dla każdego aminokwasu sporządzono po trzy próbki, gdzie stosunek wody do suchych składników wynosił: dla układów z tyrozyną – 0,92; 1,93; 0,51 g/g; z fenyloalaniną: 0,98; 1,98; 0,51 g/g. Następnie przez okres 20 dni mierzono widma ramanowskie próbek przy użyciu lasera o długości fali 1064 nm. W badaniach wykorzystano spektrofotometr Ramana z transformatą Fouriera (FT) Thermo Scientific Nicolet NXR 9650. Otrzymane widma zostały poddane wstępnej obróbce (m.in wygładzeniu). Analizy stabilizacji badanego układu dokonano poprzez rozkład konkretnych pasm na składowe, które studiowano poprzez obliczanie ich stosunków intensywności oraz pól pod powierzchnią. Otrzymane wartości obrazowano poprzez wykresy zależności w czasie. W toku analizy udało się zaobserwować przede wszystkim podział cząsteczek wody na trzy charakterystyczne frakcje dla HPC, oraz czas, z jakim ten proces zachodził. Dowiedziono, iż wytwarzanie się frakcji H2O jest ściśle zależne od ilości wody w układzie. Dodatkowo wysnuto wniosek, iż na powstawanie silnych oddziaływań wodorowych przez wodę niezamarzającą (NFW) miał wpływ aminokwas, który obecny był w próbkach – w towarzystwie fenyloalaniny, NFW traciła na intensywności, w porównaniu do systemów z tyrozyną, gdzie frakcja ta dominowała. W obszarze wiązań glikozydowych zauważono wrażliwość pasma 1212 cm-1, które w przypadku obu aminokwasów (a szczególnie dla układów z fenyloalaniną) zmieniało się na przestrzeni 20 dni. Drgania pochodzące od aminokwasów, które były najbardziej czułe na zwiększającą się ilość cząsteczek wody, to te związane z grupą CH2 oraz pierścieniem aromatycznym. Wszystkie wyżej opisane wnioski prowadzą do lepszego zrozumienia badanego układu oraz jego reakcji na zmiany w środowisku wodnym, w określonym czasie. Informacje te są wartościowe w kontekście jego wykorzystania w przemyśle farmaceutycznym jako nośnik leków.

Raman spectroscopy has been used for years for any spectroscopic studies on systems, due to the possibility of conducting the experiment in an aqueous environment. This work focuses on an in-depth analysis of the dynamics of a system consisting of hydrated hydroxypropyl cellulose (HPC) and selected amino acids – tyrosine and phenylalanine. This polymer, over the past few years, has been studied for targeted delivery of drugs, mainly hydrophobic ones. The aim of the conducted study was to observe the behavior of the system in the presence of water, which can be used to determine the mechanisms of release of the active substance. Samples consisting of HPC and amino acid (in a 1:1 ratio) and water were prepared, as well as three samples for each amino acid, where the ratio of water to dry components was: for systems with tyrosine - 0.92; 1.93; 0.51 g/g; with phenylalanine: 0.98; 1.98; 0.51 g/g. The Raman spectra of the samples were then measured for a period of 20 days using a laser with wavelength at 1064 nm. A Thermo Scientific Nicolet NXR 9650 Fourier transform (FT) Raman spectrophotometer was used in the study. The obtained spectra were preprocessed (including smoothing). The stabilization analysis of the studied system was carried out by decomposing specific bands into their components, which were studied by calculating their intensity ratios and areas under the surface. The obtained values were illustrated through time-dependence plots.In the course of the analysis, it was possible to observe, first of all, the splitting of water molecules into three characteristic fractions for HPC, and the time with which this process occurred. It was proven that the formation of H2O fractions is strictly dependent on the amount of water in the system. In addition, the conclusion was drawn that the formation of strong hydrogen interactions by non-freezing water (NFW) was influenced by the amino acid that was present in the samples. Accompanied by phenylalanine, NFW lost intensity, compared to systems with tyrosine, where this fraction dominated. In the glycosidic bond region, a particular sensitivity of the 1212 cm-1 band was noted, which varied over 20 days for both amino acids (especially for systems with phenylalanine). The vibrations from the amino acids that were most sensitive to increasing water molecules were those associated with the CH2 group and the aromatic ring. All the above-described conclusions lead to a better understanding of the studied system and its response to changes in the aqueous environment, over a certain period of time. This information is valuable in the context of its use in the pharmaceutical industry as a drug carrier.