Quitosana y sus sales: producción nacional, caracterización y aplicaciones farmacéuticas

CIENCIAS TÉCNICAS

Premio Anual de la Academia de Ciencias de Cuba, 2020

 

Quitosana y sus sales: producción nacional, caracterización y aplicaciones farmacéuticas

Chitosan and its salts: national production, characterization and pharmaceutical applications

 

Nilia de la Paz Martín-Viaña 1 *
https://orcid.org/0000-0001-8067-9516

Mirna Fernández Cervera 2 *
https://orcid.org/0000-0001-6537-3367

Caridad Margarita García Peña 1
https://orcid.org/0000-0002-6678-4544

Dania Pérez Ricardo 2
https://orcid.org/0000-0002-2391-5313

Antonio Nogueira Mendoza 1
https://orcid.org/0000-0001-8693-8697

Yanet Montes de Oca Porto 1
https://orcid.org/0000-0001-8525-3645

Vivian Martínez Espinosa 1
https://orcid.org/0000-0002-3005-2245

Addis Bellma Menéndez 1
https://orcid.org/0000-0001-8478-7063

Zoe Catalina Palazón López 1
https://orcid.org/0000-0003-1761-3543


1
Centro de Investigación y Desarrollo de Medicamentos (CIDEM). La Habana, Cuba
2 Instituto de Farmacia y Alimentos (IFAL), Universidad de La Habana. La Habana, Cuba

* Autor para la correspondencia: nilia.delapaz@cidem.cu, nilia.delapaz@infomed.sld.cu, mirnafc@ifal.uh.cu, mirnafc@gmail.com

 


RESUMEN

Introducción: Los exoesqueletos de crustáceos constituyen fuentes de obtención de biopolímeros de gran versatilidad, y desechos sólidos que contaminan el medio ambiente. Objetivos: establecer procesos tecnológicos a escala industrial para la obtención de quitosana y sus sales, para aplicaciones biomédicas.
Métodos: Una temperatura de mezcla de 80 °C y de reacción de 100 °C/15 minutos dobles, fueron las mejores condiciones para la obtención de la quitosana. Por el método de secado por aspersión se obtuvieron las sales de quitosana, estableciéndose, una temperatura de entrada de 160 °C ± 5 °C y de salida de 100 °C ± 5 °C, a partir de una disolución de quitosana en ácido acético o láctico.
Resultados: La caracterización confirmó la obtención de quitosana con un grado de desacetilación superior al 70 % y una masa molecular media de 310 000 g/mol; así como la formación de las sales del biopolímero solubles en agua. Se demostró la homogeneidad de las propiedades de los productos en los lotes escalados y la reproducibilidad de los procesos tecnológicos establecidos, en las condiciones de la industria nacional. Se comprobó la estabilidad física, química y microbiológica del biopolímero y sus sales, durante 24 meses. Se evaluó su capacidad emulgente lográndose la estabilización de sistemas semisólidos. Las bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas, empleando quitosana y acetato de quitosana, mostraron adecuada estabilidad física sin interferencias en la liberación del fármaco modelo, quedando demostrada su aplicación como agentes estabilizantes. Conclusiones: se obtuvieron tres nuevas materias primas de producción nacional a escala industrial con calidad, para ser empleadas en la industria farmacéutica.

Palabras clave: quitosana; sales de quitosana; secado por aspersión; emulsiones; liberación


ABSTRACT

Introduction: The exoskeletons of crustaceans are sources of highly versatile biopolymers and solid wastes that pollute the environment. Objectives: Establish technological processes on an industrial scale to obtain chitosan and its salts, for biomedical applications.
Methods: A mixing temperature of 80 ° C and a reaction temperature of 100 °C/15 double minutes were the best conditions for obtaining chitosan. Chitosan salts were obtained by the spray drying method, establishing an inlet temperature of 160 °C ± 5 °C and an outlet temperature of 100 °C ± 5 °C, from a solution of chitosan in acetic or lactic acid.
Results: The characterization confirmed the obtaining of chitosan with a degree of deacetylation greater than 70 % and an average molecular mass of 310,000 g/mol; as well as the formation of the salts of the biopolymer soluble in water. The homogeneity of the properties of the products in the scaled batches and the reproducibility of the established technological processes, under the conditions of the national industry, were demonstrated. The physical, chemical and microbiological stability of the biopolymer and its salts was verified for 24 months. Its emulsifying capacity was evaluated, achieving the stabilization of semisolid systems. The emulsified and water-soluble bases, using chitosan and chitosan acetate, showed adequate physical stability without interference in the release of the model drug, their application as stabilizing agents being demonstrated. Conclusions: three new raw materials of national production were obtained on an industrial scale with quality, to be used in the pharmaceutical industry.

Keywords: chitosan; chitosan salts; spray drying; emulsions; release


 

INTRODUCCIÓN

La langosta espinosa (Panulirus argus) es una especie que se expande desde Carolina del Norte, EE.UU., hasta Brasil, incluyendo el mar Caribe e Islas Antillanas, Bahamas y Bermudas. Esta especie se encuentra expandida por todas las zonas de la plataforma cubana y su exoesqueleto constituye un residuo de la industria pesquera, considerándose un contaminante ambiental. (1) Sin embargo, constituye una de las fuentes principales de dos biopolímeros de alto valor agregado establecidos a nivel mundial: la quitina y su derivado funcional, la quitosana. (2)

La quitosana es obtenida, principalmente, a partir de exoesqueletos de crustáceos siendo la langosta la fuente natural menos empleada internacionalmente. (3-5) Es un biopolímero multifuncional natural, biocompatible, biodegradable y mucoadhesivo por lo que se ha empleado en una serie de aplicaciones farmacéuticas de un mayor alcance que la quitina y en la obtención de sales de quitosana, potenciando aún más la utilidad de este biopolímero en la industria farmacéutica. (6)

El gran desafío que supone, para la comunidad científica, el desarrollo de procesos tecnológicos para la obtención de materias primas de calidad farmacéutica, a partir de fuentes naturales, ha limitado su aceptación en la industria médico-farmacéutica.

El interés por disponer de materias primas, a partir de fuentes naturales, constituyendo la quitosana y sus sales un ejemplo de ello, requiere el diseño de procedimientos tecnológicos para su obtención industrial con adecuada reproducibilidad y calidad. Se persigue como objetivo establecer procesos tecnológicos a escala industrial para la obtención de quitosana y sus sales, para aplicaciones biomédicas.

 

MÉTODOS

Obtención de quitosana a partir de quitina de langosta (Panulirus argus) a escala de banco

A partir de los resultados alcanzados por Hidalgo y col. (2009), (4) se realizó un diseño experimental de superficie respuesta 32 aleatorizado (Statgraphics plus, versión 5,1; EE.UU.). (7)

· Validación del método analítico para la determinación del grado de desacetilación (GD) de la quitosana. A las muestras resultantes del diseño factorial, se les determinó el GD, para lo cual se modificó el método potenciométrico empleado por Hidalgo y col. (2008). (8) El procedimiento de validación fue realizado según lo establecido para la categoría I. (9-12)

· Evaluación física, química y microbiológica de la quitosana obtenida a escala de banco, piloto e industrial. Se evaluaron los parámetros físicos, químicos y microbiológicos para demostrar la reproducibilidad del proceso tecnológico establecido, en las condiciones de la industria nacional. (4,7,12-14)

· Estudio de estabilidad de la quitosana obtenida a escala piloto. Se realizó un estudio de estabilidad acelerada y por vida de estante durante 24 meses. (9,15-17)

Proceso de obtención del acetato y lactato de quitosana a escala de laboratorio. Se realizó un diseño factorial 22 a escala de laboratorio (Statgraphics plus, versión 5,1; EE.UU.), los factores de estudio fueron la masa molecular del ácido (MM) y la diferencia de temperatura de entrada y salida del equipo (DT) y como variable de respuesta el rendimiento (R) de las sales de quitosana.

· Grado de desacetilación. Validación del método analítico. Se desarrolló un método por espectrofotometría ultravioleta y se tomó como referencia lo reportado para el clorhidrato de quitosana en la farmacopea europea (2017). (18,19)

· Evaluación física, química y microbiológica del acetato y lactato de quitosana obtenidos a escala de laboratorio e industrial. Se les determinaron los parámetros físicos, químicos y microbiológicos, tomando como referencia lo reportado en la literatura oficial. (12,19,20)

· Escalado industrial de la obtención del acetato y lactato de quitosana por el método de secado por aspersión. Se elaboraron tres lotes industriales de 50 L, para demostrar la reproducibilidad del proceso tecnológico establecido a escala de laboratorio, analizando los rendimientos en cada escala.

· Estudio de estabilidad de las sales de quitosana obtenidas a escala industrial. Se siguió la metodología descrita en el epígrafe estudio de estabilidad de la quitosana obtenida a escala piloto. (21)

Evaluación de las propiedades estabilizantes de la quitosana y del acetato de quitosana en sistemas semisólidos farmacéuticos

Determinación del balance hidrófilo-lipófilo de la quitosana (BHL). Para la determinación del BHL de la quitosana se utilizó el método de Griffin. (21,22)

Evaluación de la estabilidad física de las bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas. Se elaboraron cinco bases emulsionadas y tres hidrosolubles acuosas, empleando quitosana (Q-11004) y acetato de quitosana (AQ-12001) como emulgentes y viscosantes. (23)

Liberación in vitro de clorhidrato de dibucaína desde bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas con quitosana y acetato de quitosana. La metodología usada en el estudio de liberaciónin vitro fue similar a la empleada por Ávila y col. (2010). (24) Una vez obtenidos los perfiles de liberación se procesaron los datos para determinar el mejor ajuste, analizando los diferentes modelos cinéticos. (25,26)

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Obtención de quitosana a partir de quitina de langosta (Panulirus argus) a escala de banco

La relación de quitina en la disolución alcalina fue de 1:10, se consideró como velocidad de agitación 181 min. -1, empleando como medio alcalino la disolución de NaOH al 45 % a una temperatura de mezcla de los reaccionantes de 80 °C y de reacción de 100 °C, durante 15 minutos, proceso que se repite dos veces, obteniéndose la quitosana con un GD ≥ 70 %. (7)

Validación del método analítico para la determinación del GD. Se desarrolló y validó un método potenciométrico para la determinación del GD de la quitosana, demostrándose a través de pruebas documentales la confiabilidad y seguridad del mismo, para su aplicación en el control de la calidad y estudio de estabilidad del biopolímero, según lo establecido nacional e internacionalmente. (9)

Caracterización física, química y microbiológica de la quitosana obtenida a escala de banco. Los resultados de la caracterización realizada a los tres lotes elaborados a escala de banco evidenciaron un comportamiento físico, químico y microbiológico similar a lo referido en la literatura. (14)

Escalado piloto e industrial de la tecnología de obtención de quitosana. Las mejores condiciones para la obtención de quitosana, a escala de banco, fueron reproducidas a escala piloto e industrial. A partir de estos resultados se establece, por primera vez, un procedimiento tecnológico para la obtención de quitosana, derivada de quitina de langosta ( Panulirus argus), introducida a escala piloto e industrial, en las condiciones de la planta de producción de productos naturales y sintéticos (PPPNS) del CIDEM. (7)

Evaluación física, química, microbiológica y tecnológica de la quitosana obtenida a escala piloto e industrial. Los resultados del análisis de calidad realizado a cada uno de los lotes, demostró que todos cumplieron con los límites establecidos para cada uno de los ensayos y fueron similares a los resultados obtenidos a escala de banco.

La masa molecular calculada de la quitosana obtenida fue de 310 000 g/mol, considerada como quitosana de masa molecular media. (27)

Estabilidad física, química y microbiológica de la quitosana obtenida a escala piloto

Se establecieron 24 meses como período de validez de la quitosana, en el cual se mantuvieron sus propiedades físicas, químicas y microbiológicas, en el envase y condiciones de almacenamiento evaluadas. (9)

Obtención de sales de quitosana por el método de secado por aspersión. Se establecieron las mejores condiciones para obtener sales de quitosana empleando ácido acético y láctico a escala de laboratorio, demostrándose la influencia del tipo de ácido y la diferencia de temperatura de entrada/salida del equipo de secado por aspersión.

Las condiciones para la obtención de las sales de quitosana a escala industrial por el método de secado por aspersión, fueron temperatura de entrada 160 v ± 5 °C y salida 100 °C ± 5 °C y una velocidad del disco centrífugo de 12 736 min -1. (20)

Grado de desacetilación. Validación del método analítico. Se validó el método de análisis por espectrofotometría ultravioleta desarrollado, para el control de la calidad y estudio de estabilidad de las sales de quitosana. (18)

Caracterización física, química y microbiológica de las sales de quitosana obtenida a escala de banco e industrial. Las propiedades mostraron homogeneidad en los lotes escalados demostrando, por primera vez, la reproducibilidad de la metodología desarrollada y sus potencialidades como materias primas para la industria farmacéutica.

Estudio de estabilidad de las sales de quitosana obtenidas a escala industrial. Los lotes industriales del acetato y lactato de quitosana, mantuvieron su estabilidad física, química y microbiológica durante 24 meses, en las mismas condiciones que se evaluó la quitosana. (18)

 

Evaluación de las propiedades estabilizantes de la quitosana y del acetato de quitosana en sistemas semisólidos farmacéuticos

Determinación del BHL de la quitosana. A partir del análisis y cálculo realizado se obtuvieron valores de HLB para la quitosana entre 11 y 12, demostrándose que independientemente del tensoactivo no iónico empleado hubo poca influencia sobre el valor del BHL estimado. (22) Los mismos fueron similares a los reportados para la goma acacia, polímero de similar estructura y propiedades emulgentes (HLB = 8-12). (28)

Evaluación de la estabilidad física de las bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas. Las emulsiones elaboradas con quitosana y polisorbato 80, como mezcla emulgente, mostraron mayor estabilidad con la disminución de la tensión interfasal entre las fases y el aumento de la viscosidad de la fase continua al incrementarse la concentración del biopolímero, siendo el mecanismo principal de estabilización de los polímeros.

Las bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas se mantuvieron estables recién elaboradas y decursados 60 días, independientemente de las condiciones de almacenamiento, en dependencia de su composición y características, lo cual debe ser considerado para futuros estudios. Además, independientemente de las condiciones de almacenamiento, las bases emulsionadas, conteniendo solo quitosana o acetato de quitosana, mostraron mejor estabilidad física que las combinadas con polisorbato 80. (23)

Liberación in vitro de clorhidrato de dibucaína desde bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas con quitosana y acetato de quitosana. La liberación del clorhidrato de dibucaína desde las bases semisólidas se ajustó al modelo cinético de la concentración versus la raíz cuadrada del tiempo (modelo de Higuchi) y fue más rápida desde las bases emulsionadas e hidrosolubles acuosas que contenían la sal de quitosana, esto puede ser debido a una repulsión electrostática entre el fármaco modelo y la quitosana o acetato de quitosana. (26)

Conclusiones

Con los procedimientos tecnológicos establecidos se obtuvieron tres nuevas materias primas de origen natural con calidad farmacéutica, con un costo competitivo, lo que haría factible su producción nacional y el consiguiente ahorro en divisas vivas por concepto de importación.

La quitosana, el acetato y lactato de quitosana se pueden emplear como excipientes farmacéuticos o como ingredientes farmacéuticos activos, lo que contribuye a aumentar el arsenal de materias primas de producción nacional y así sustituir importaciones. Además, podrían emplearse en las industrias cosmética y alimentaria.

La tecnología propuesta permite aprovechar los carapachos de langosta que constituyen un contaminante ambiental de la industria pesquera cubana. Se cuenta con la caracterización de las corrientes residuales de la producción de la quitosana, así como las propuestas de tratamiento de los residuales generados en el proceso, lográndose un procedimiento tecnológico amigable con el medio ambiente.

Agradecimientos

Los autores están agradecidos a los especialistas de la planta flexible del CIDEM y a los investigadores del CEADEN y CENSA, por su contribución para la ejecución satisfactoria de este trabajo de investigación.

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Recibido: 31/05/2021
Aprobado: 16/07/2021

Conflicto de intereses. Los autores declaran que no existen conflictos de intereses.

Contribución de autoría

  • Conceptualización: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Dania Pérez Ricardo, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Curación de datos: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Antonio Nogueira Mendoza, Yanet Montes de Oca Porto, Vivian Martínez Espinosa, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Análisis formal: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Antonio Nogueira Mendoza, Yanet Montes de Oca Porto, Vivian Martínez Espinosa, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Adquisición de fondos: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera
  • Investigación: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Metodología: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Administración del proyecto: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera
  • Recursos: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Caridad Margarita García Peña, Antonio Nogueira Mendoza, Yanet Montes de Oca Porto, Vivian Martínez Espinosa, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Software: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Dania Pérez Ricardo
  • Supervisión: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera
  • Validación: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Visualización: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Caridad Margarita García Peña, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Redacción-borrador original: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera, Dania Pérez Ricardo, Caridad Margarita García Peña, Addis Bellma Menéndez, Zoe Catalina Palazón López
  • Redacción-revisión y edición: Nilia de la Paz Martín-Viaña, Mirna Fernández Cervera

Financiación. La investigación para la ejecución de este trabajo se llevó a cabo a partir de un proyecto de investigación titulado: "Obtención de quitosana derivada de quitina de langosta ( Panulirus argus)", el cual constituyó un proyecto CITMA: 0808025 "Obtención de quitosana derivada de quitina de langosta ( Panulirus argus)."



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