Polimery z pamięcią molekularną – przełom w oczyszczaniu wody z leków

Czy woda pitna staje się źródłem zagrożeń farmaceutycznych?

Farmaceutyki w wodzie pitnej stanowią rosnący problem zdrowotny na całym świecie. Wśród nich karbamazepina (CBZ) – lek powszechnie stosowany w leczeniu padaczki, neuralgii nerwu trójdzielnego i zaburzeń afektywnych dwubiegunowych – wyróżnia się szczególnie wysoką stabilnością w środowisku wodnym oraz opornością na konwencjonalne metody oczyszczania. Najnowsze badania opublikowane w czasopiśmie “Molecules” przynoszą obiecujące rozwiązanie tego problemu w postaci selektywnych polimerów z pamięcią molekularną.

Zanieczyszczenia emergenentne (ang. Contaminants of Emerging Concern, CEC) to naturalne lub syntetyczne związki chemiczne coraz częściej wykrywane w zbiornikach wodnych, lecz nie poddawane regularnej kontroli w środowisku. Zgodnie z definicją amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (US EPA), są to nowo zidentyfikowane substancje chemiczne, których wpływ na środowisko i zdrowie pozostaje słabo poznany. Lista CEC jest obszerna i stale się powiększa – obejmuje farmaceutyki, produkty higieny osobistej, plastyfikatory, pestycydy, związki przemysłowe i substancje kompleksujące. Farmaceutyki stanowią jedną z najważniejszych grup tych zanieczyszczeń, występując w wodach w stężeniach od mikrogramów do nanogramów na litr. Do najczęściej wykrywanych leków w wodzie pitnej i ściekach należą fluoksetyna, leki obniżające poziom lipidów, leki na zgagę, cyprofloksacyna, diklofenak, sterydy, beta-blokery i leki przeciwbólowe.

“Aktywne składniki farmaceutyczne zostały zidentyfikowane w rzekach w ponad 50% krajów świata, przy czym karbamazepina była najczęściej wykrywanym związkiem spośród 61 analizowanych substancji” – piszą autorzy badania, powołując się na wcześniejsze prace Wilkinsona i współpracowników. CBZ, stosowana w leczeniu neuralgii nerwu trójdzielnego i zaburzeń dwubiegunowych, jest wysoce trwała w wodzie ze względu na swoją stabilność i odporność na biodegradację.

Konwencjonalne oczyszczalnie ścieków są w dużej mierze nieskuteczne w usuwaniu farmaceutyków – tylko około 10% karbamazepiny zostaje wyeliminowane podczas standardowego procesu oczyszczania, co prowadzi do znacznych stężeń w ściekach i wodach powierzchniowych. Z tego powodu znowelizowana dyrektywa UE w sprawie oczyszczania ścieków komunalnych (2024/3019) nałożyła na oczyszczalnie obsługujące ponad 150 000 mieszkańców obowiązek wprowadzenia czwartorzędowego etapu oczyszczania, mającego na celu usunięcie 13 mikrozanieczyszczeń, w tym CBZ.

Dla usuwania mikrozanieczyszczeń takich jak CBZ zaproponowano różne technologie, w tym zaawansowane procesy utleniania i nanofiltrację. Jednak często wymagają one wysokich kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, a także mogą prowadzić do wtórnego zanieczyszczenia produktami ubocznymi utleniania. Jednym z obiecujących podejść jest zastosowanie etapu adsorpcji po trzeciorzędowym oczyszczaniu wody. Powszechnie stosowane adsorbenty obejmują komercyjne żywice lub węgle aktywne, które wykazują bardzo wysoką zdolność adsorpcyjną, ale charakteryzują się złożonym i kosztownym procesem desorpcji.

Jak działają polimery z pamięcią molekularną?

Naukowcy zaproponowali innowacyjne rozwiązanie w postaci polimerów z pamięcią molekularną (MIP) – syntetycznych materiałów zaprojektowanych tak, aby posiadały specyficzne miejsca rozpoznające dla cząsteczek docelowych, umożliwiając selektywną adsorpcję. Jak działa ta technologia? MIP są syntezowane w procesie zwanym imprintingiem molekularnym, wykorzystującym polimeryzację rodnikową. W trakcie tego procesu monomery otaczają cząsteczki docelowe (matrycę), a następnie są stabilizowane za pomocą środka sieciującego. Po usunięciu cząsteczki matrycy w procesie przemywania, powstaje polimer z wnękami, które są komplementarne pod względem rozmiaru, kształtu i grup funkcyjnych do związku docelowego.

Polimery te mogą działać w oparciu o trzy rodzaje oddziaływań: wiązania kowalencyjne, półkowalencyjne i niekowalencyjne. Pierwsze dwa podejścia wymagają bardziej drastycznych warunków zarówno do przygotowania, jak i desorpcji, ponieważ konieczne jest tworzenie i zrywanie silniejszych wiązań. Większość badań prowadzonych w ostatnich dziesięcioleciach preferowała skupienie się na podejściu wykorzystującym wiązania niekowalencyjne, umożliwiając w ten sposób adsorpcję i desorpcję zanieczyszczeń w oparciu o większe lub mniejsze powinowactwo między polimerem a rozpuszczalnikiem używanym do przemywania. Oddziaływania niekowalencyjne wykorzystywane w technologii MIP to wiązania wodorowe, oddziaływania jonowe, kwasowo-zasadowe oraz aromatyczne, takie jak oddziaływania π-π.

Główne klasyczne metody polimeryzacji opisane w literaturze obejmują polimeryzację blokową, strąceniową, emulsyjną i suspensyjną. W badaniu zastosowano polimeryzację blokową z etapem pre-polimeryzacji, polegającym na wstępnym mieszaniu monomeru, matrycy i porogenu przez 20 minut przed dodaniem pozostałych składników polimeryzacji, co sprzyja tworzeniu kompleksu między monomerem a cząsteczką docelową. Jako porogen wybrano acetonitryl ze względu na jego niższą toksyczność, zgodnie z zasadami zielonej chemii.

W badaniu przeprowadzono szereg eksperymentów mających na celu optymalizację składu i warunków syntezy MIP dla selektywnego wiązania karbamazepiny. Badacze porównali różne środki sieciujące (cross-linkery) i monomery, w tym alternatywy pochodzenia biologicznego. Wyniki wykazały, że trifunkcjonalny środek sieciujący (TRIM) zapewnia najlepsze rezultaty, dając materiały o zwiększonej zdolności adsorpcji, stabilności termicznej i powierzchni właściwej dwukrotnie większej niż te uzyskane z bifunkcjonalnym środkiem sieciującym (EGDMA).

Badania wykazały, że powierzchnie właściwe MIP_EGDMA_2VP (270 m²/g) i MIP_TRIM_MAA (440 m²/g) są zgodne z wartościami podawanymi przez innych autorów, ale znacznie wyższe niż te raportowane w niektórych wcześniejszych badaniach. Wartości te są również znacznie wyższe niż powierzchnia właściwa uzyskana przy użyciu ESOA (akrylanu epoksydowanego oleju sojowego) jako środka sieciującego, która była bliska 0 m²/g. Obecność trifunkcjonalnego środka sieciującego sprzyja tworzeniu bardziej zwartej sieci polimerowej, co skutkuje wyższą stabilnością termiczną.

Szczególnie interesujące okazało się zastosowanie eugenolu (EUG) i kwasu kumarowego (COU) jako monomerów. Te związki pochodzenia roślinnego wykazały najwyższe powinowactwo do CBZ dzięki swoim strukturom aromatycznym, które ułatwiają interakcje π-π z cząsteczką leku. “Obecność pierścienia aromatycznego sprzyja tworzeniu oddziaływań π-π z karbamazepiną, co znacząco zwiększa selektywność i efektywność adsorpcji” – wyjaśniają badacze. W przypadku eugenolu, pierścień aromatyczny ma wiele podstawników, a nienasycenie łączące monomer z siecią znajduje się o jeden atom węgla dalej, co pozwala na większą ruchomość pierścienia. W przypadku kwasu kumarowego pierścień aromatyczny jest mniej utrudniony sterycznie, z tylko jednym podstawnikiem, podczas gdy mobilność łańcucha łączącego z siecią jest zmniejszona, ponieważ wiązanie podwójne znajduje się o jedną pozycję od pierścienia. Dodatkowo, COU posiada grupę kwasową, która może sprzyjać interakcji z CBZ poprzez wiązania wodorowe.

Czy MIP mogą zrewolucjonizować oczyszczanie wody i praktykę kliniczną?

Czy takie materiały mogą znaleźć zastosowanie w praktyce klinicznej? Badania potwierdzają, że opracowane polimery zachowują swoją funkcjonalność w rzeczywistych ściekach, wykazując wysoką selektywność wobec CBZ w porównaniu do innych powszechnie stosowanych leków, takich jak diklofenak czy ibuprofen. Stosunek wydajności adsorpcji CBZ do diklofenaku wynosił 1,5 ± 0,1, natomiast stosunek wydajności adsorpcji CBZ do ibuprofenu wynosił 6 ± 3, co wskazuje na wysoką selektywność testowanych MIP w stosunku do CBZ.

Co więcej, materiały te mogą być wielokrotnie regenerowane bez utraty wydajności – testy wykazały, że mogą przejść co najmniej pięć cykli adsorpcji-desorpcji z zachowaniem około 90% początkowej zdolności wiązania CBZ. Ilość roztworu desorpcyjnego potrzebna do całkowitej regeneracji sorbentu była bardzo niska (5-10 objętości złoża). Stabilność wydajności sorbentu w wielu cyklach i niska ilość wymaganego regeneranta pozwoliły na znaczne zmniejszenie kosztów operacyjnych związanych z okresową regeneracją i wymianą sorbentu.

Jakie znaczenie mają te odkrycia dla zdrowia publicznego? Obecność farmaceutyków w wodzie pitnej budzi coraz większe obawy wśród specjalistów zdrowia publicznego ze względu na potencjalne długoterminowe skutki ekspozycji na niskie dawki tych substancji. Lekarze powinni być świadomi, że ich pacjenci mogą być narażeni na niewielkie, ale ciągłe dawki leków poprzez wodę pitną, co może prowadzić do nieprzewidywalnych interakcji z przepisywanymi terapiami lub wywoływać subtelne efekty fizjologiczne.

Technologia MIP oferuje obiecujące rozwiązanie tego problemu, umożliwiając skuteczne i selektywne usuwanie farmaceutyków z wody. Materiały te są stabilne termicznie (do 300°C), mogą być wielokrotnie używane i wykazują wysoką selektywność wobec określonych związków, co czyni je idealnymi kandydatami do zastosowania w zaawansowanych systemach oczyszczania wody.

Czy opracowane materiały mogą zostać wdrożone na skalę przemysłową? Autorzy badania podkreślają, że zastosowana metoda syntezy, choć mniej zaawansowana technologicznie niż podejścia wspomagane mikrofalami czy oparte na cieczach jonowych, wyróżnia się prostotą, opłacalnością, powtarzalnością i, co najważniejsze, skalowalnością. Czyni to tę strategię obiecującą dla przyszłych zastosowań wykraczających poza skalę laboratoryjną, na przykład jako etap czwartorzędowy w oczyszczalniach ścieków.

Badania nad MIP dla karbamazepiny stanowią ważny krok w kierunku opracowania bardziej efektywnych metod usuwania farmaceutyków z wody. W miarę jak rośnie świadomość zagrożeń związanych z obecnością leków w środowisku wodnym, technologie takie jak MIP będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w ochronie zdrowia publicznego. Dla lekarzy oznacza to potencjalnie lepszą kontrolę nad całkowitą ekspozycją pacjentów na leki, co może przyczynić się do bardziej precyzyjnego i bezpiecznego leczenia.

Podsumowanie

Zanieczyszczenia farmaceutyczne w wodzie pitnej, szczególnie karbamazepina (CBZ), stanowią istotny problem zdrowotny ze względu na ich wysoką stabilność i oporność na konwencjonalne metody oczyszczania. Naukowcy opracowali innowacyjne rozwiązanie w postaci polimerów z pamięcią molekularną (MIP), które selektywnie usuwają te związki z wody. MIP są syntezowane poprzez proces imprintingu molekularnego, tworząc specyficzne miejsca rozpoznające dla cząsteczek docelowych. Szczególnie skuteczne okazało się wykorzystanie eugenolu i kwasu kumarowego jako monomerów pochodzenia roślinnego, które wykazują wysokie powinowactwo do CBZ. Materiały te charakteryzują się wysoką stabilnością termiczną, możliwością wielokrotnej regeneracji z zachowaniem 90% początkowej zdolności wiązania oraz znaczną selektywnością w stosunku do CBZ w porównaniu z innymi lekami. Technologia MIP oferuje obiecujące rozwiązanie problemu zanieczyszczeń farmaceutycznych w wodzie, z potencjałem do wdrożenia na skalę przemysłową jako etap czwartorzędowy w oczyszczalniach ścieków.