72152/2008

Sinteza si investigarea unor noi polimeri biodegradabili pe baza de acid polilactic cu aplicatii in medicina, BIOPLAST

Universitatea BABES-BOLYAI Cluj-Napoca

Conf. Dr. Cornelia MAJDIK

Parteneri n consoriu:

Coordonator proiect CO Universitatea BABE-BOLYAI, Cluj Napoca(coordonator activitati, sinteze chimice si enzimatice, caracterizare biopolimeri)

Partener P1 INCDO-INOE 2000, filiala Institutul de Cercetri pentru Instrumentaie Analitic Cluj-Napoca(sinteze chimice, analiza biopolimerilor, experimentare metode)

Partener P2 Universitatea POLITEHNIC din Timioara(caracterizarea mecanica a biopolimerilor)

Partener P3 Universitatea de Medicin i Farmacie VICTOR BABE Timioara(caracterizarea mecanica a biopolimerilor, utilizari biopolimeri)

Buget/cofinanare:9 Buget 1.950.000 lei9 Cofinantare 0 lei

Adresa web:http://chem.ubbcluj.ro/~majdik/bioplast/.

Obiectivul/rezultatul final al proiectului:

9 Sinteza si caracterizarea unor noi biopolimeri biodegradabili si biocompatibili pebaza de acid lactic stereoizomer si racemic; utilizarea acidului lactic obtinut prinfermentatie specifica sau din fractiile reziduale rezultate in industria produselorlactate

Elementele de noutate ale proiectului, originalitate:

9 Elaborarea unor procedee noi de obtinere a acidului polilactic racemic sistereoizomer (propunere de brevet pentru sinteza in prezenta microundelor)

9 Obtinerea unor copolimeri ai acidului lactic cu acidul glicolic (articol stiintificacceptat spre publicare)

9 Sinteza unor copolimeri ai acidului lactic cu cu metilen-difenil-diizocianat9 Elaborarea unei metode analtice originale pentru determinarea masei moleculare

a acidului polilactic prin Rezonanta Magnetica Nucleara (rezultate in curs depublicare)

9 Obtinerea acidului L-lactic prin fermentatia fractiilor reziduale din industrialaptelui (rezultate brevetabile)

9 Studiul biodegradarii polimerilor sintetizati (rezultate publicabile)

Beneficiarii rezultatelor, potenialul de aplicare n economie:

9 producatori de mase plastice interesati de metodele elaborate

9 companii farmaceutice specializate in conditionarea medicamentelor

9 agenti economici procesatori de lapte

Etapa 1/28.02.2009

Studii privind polimerii biodegradabili alifatici cu structuri poliesterice

9 Buget de stat: 95.000 lei9 Cofinanare: 0 lei

9Activiti efectuate:- A1.1 Studii privind metodele de obtinere a polimerilor biodegradabili

cu legaturi esterice- A1.2 Studii privind metodele fizico-chimice utilizate pentru

caracterizarea polimerilor biodegradabili si controlul proprietatilor mecanice

- A1.3 Elaborare baza de date. Realizare pagina web

9Achiziii realizate: 0lei

Etapa 2/30.11.2009Reactii de polimerizare a acidului lactic racemic si

stereoizomer

9 Buget de stat: 64.085 lei9 Cofinanare: 0 lei9 Activiti efectuate:

- A2.1 Studiul reactiei de polimerizare: stabilirea caracteristicilormateriilor prime, reactivilor utilizati si a conditiilor de sinteza,stereochimia reactiei

- A2.2 Studiul influentei microundelor asupra sintezei si structurii

9Achiziii realizate: 0 lei

Etapa 3/30.11.2010Reactii de polimerizare a acidului lactic racemic si stereoizomer. Reactia de copolimerizare a acidului lactic cu metilendifenil-diizocianat si /sau propilen

glicol9 Buget de stat: 383.316 lei9 Cofinanare: 0 lei9 Activiti efectuate:- A3.1 Elaborare si realizare metoda de laborator de polimerizare- A3.2 Experimentari metoda si caracterizare analitica a biopolimerilor. Alimentare baza de date- A3.3 Studiul reactiei de polimerizare: stabilirea caracteristicilor materiilor prime, reactivilor utilizati si a conditiilor de sinteza- A3.4 Determinarea mecanismului de copolimerizare- A3.5 Elaborare si realizare metoda de laborator de polimerizare- A3.6 Experimentari metoda si caracterizare analitica a biopolimerilor. Analiza proprietatilor mecanice ale biopolomerilor obtinuti- A3. 7 Studiul posibilelor aplicatii in medicina ale biopolimerilor, pe baza proprietatilor determinate- A3.8 Diseminare rezultate partiale

9Achiziii realizate: 19. 998lei (Coordonator Universitatea BABE-BOLYAI Cluj-Napoca)- Masa de laborator 1800x750x900 4.284 lei- Masa de laborator 1200x750x900 5.716 lei- Calculator Fujitsu 9.998 lei

Modul de implicare a tinerilor cercetatori comparativ cu cele asumate prin prevederile proiectului din Anexa B. (inclusiv specializari/stagii de formare /doctorate post-doc pe tematica proiectului)

Coordonator Universitatea BABE-BOLYAI Cluj-Napoca- 2 tineri cercetatori doctoranzi:

Kakes Melinda, Irsai Izabella- 2 studenti nivel licenta/master

Szabo Izabella, Varga Andreea

Partener 1 INCDO-INOE 2000, filiala Institutul de Cercetri pentru Instrumentaie Analitic Cluj-Napoca

- 4 tineri cercetatori Cadar Oana (Dr.), Senila Marin (Dr.), Tanaselia Caludiu, Senila Lacrimioara

Partener 2 Universitatea POLITEHNICA din Timisoara- 2 tineri cercetatori

Rusu Gerlinde Iuliana (Dr.), Kakasi-Zsurka Sandor Balazs (drd)

COAUTORI AI ARTICOLELOR PUBLICATE SI POSTERELORPREZENTATE IN DOMENIUL TEMEI PROIECTULUI

Indicatori de rezultat

Documentatie privind metodele de obtinere a polimerilor biodegradabili cu legaturi esterice:

Monomeri Polimeri

Baza de date

H3CCH

OH

OH

O

H3CCH

OH

OH

O acid S-lacticacid L-(+)-lactic

acid R-lacticacid D-(-)-lactic

Fermentatia lactica

Glucide- amidon- celuloza- lactoza

Glucoza

Documentatie privind metode fizico-chimice utilizate pentru caracterizarea polimerilor biodegradabili si controlul proprietatilor mecanice:

Metode fizico-chimice utilizate pentru caracterizarea polimerilor biodegradabili:x spectroscopia IRx spectrometria RMNx spectrometria de masa (MALDI-TOF)

Utilizari potentiale a biopolimerilor; determinareaproprietatilor mecanice:x durabilitatea si plasticitateax determinarea proprietatilor mecanice compusilor polimericix determinarea marimii particulelorx determinarea potentialului zeta

Corelatii proprietati-structura polimerilor obtinuti

Documentatie privind reactia de polimerizare in scopul obtinerii acidului polilactic

Reactia de polimerizare: x Stabilirea conditiilor de sintezax Stereochimia reactiei

Variante de sintezax Polimerizarea termica; sinteza asistata de

microundex Polimerizarea cataliticax Polimerizarea enzimatica

Rapoarte de experimentare: Policondensarea termica fara catalizatori

obtinerea oligomerilor (Mw=500-1000 g/mol),

Rapoarte de experimentare: Policondensarea catalitica

CATALIZATORI Compusii organici ai

staniului (octanoat de staniu);

Compusi ai magneziului, titanului si aluminiului ;

Compusi ai zincului sau acizi protici

a.Eliminarea apei prin distilare azeotropa;b.Polimerizarea catalitica.

Metoda de sinteza a acidului polilactic in camp de microunde

S-a obtinut acid polilactic, in conditii de microunde din acid lactic racemic si izomer L

Putere: 800 WTemperatura: 130 si 170oCPresiune: 80 barTimp de reactie: 1-4 h

Rapoarte de experimentare: Policondensarea enzimatica

Metoda verde, nepoluanta conditii mai blande de reactie solventi cu punct de fierbere mai scazut nu este necesar folosirea unor catalizatori toxici este o metoda care protejeaza mediul

Enzima Acid lactic

(mol)

Timp

(h)

Masa

moleculara

Gradul mediu de

polimerizare

0,056 148 417 3,5 Lipozyme

IM20 0,056 117 459 4,1

0,055 165 531 5,1 Chirazyme

0,055 181 783 8,6

0,056 498 1300 15,8 PPL

0,556 507 1423 17,5

Lipozyme IM20

Chirazyme (lipaza din Rhizomocur miehei)PPL (lipaza din pancreasul porcin)

Caracterizare RMN a acidului polilactic

Mszaki Kmiai Napok'09

trimerdimer

monomer

Spectrul 1H-NMR al acidului polilactic obtinut

Spectrul IR al acidului lactic utilizat ca materie prima.

Spectrul IR al PLA obtinut

Spectrul MALDI-TOF MS al acidului polilactic obtinut prin metoda de

polimerizare catalitica a acidului lactic L la 170C

Rapoarte de experimentare. Copolimerul acid lactic-(metilen-difenil-diizocianat) (PLA-MDI)

Cloroform Catalizator: octanoat de staniu

Rapoarte de experimentare.Copolimer acid lactic-acid glicolic (PLA-AG)

CH3 CH COOH

OH

+ HO CH2 COOH

H O CH

CH3

C

O

O CH2 C

O

OH

n

+ 2nH2O

n n

acid lactic acid glicolic

PLGA cu mas molecular mic

polimerizarea cu deschidere de ciclu din lactide policondensarea directa;

Solutie apoasa de acid lactic 75 %Acid glicolic 98 %Difenileter (solvent anhidrificare)

Cloroform (solvent polimerizare)Octanoat de staniu (catalizator)Metanol (precipitarea polimerului)

Documentatie privind metode enzimatice pentru obtinerea copolimerilor PLA-AG

Acid L-lactic Acid glicolic Enzima: CAL B Solvent: benzen Cloroform

CAL B- Lipaza B din Candida antarctica

Metode de laborator elaborate

Metoda de laborator pentru obtinerea acidului polilactic(policondansare catalitica)

Metoda de laborator pentru sinteza copolimerului acidlactic-acid glicolic (polimerizare enzimatica)

Metoda de laborator pentru sinteza copolimerului acidlactic-metilendifenil diizocianat (policondensaretermica)

Metoda de laborator pentru sinteaza copolimerului acidlactic- metilendifenil diizocianat-polietilenglicol(alungire de catena)

Proprietatile mecanice alebio(co)polimerilor sintetizati

SCOP: determinarea duritatii si a rezistentei la intindere. stabilirea conditiilor de reactie optime pentru

prepararea materialelor cu proprietati optime.

timpul reactiilor partiale raportul intre reactanti masa moleculara, raportul acidului polilactic natura catalizatorului; raportul catalizator-monomer folosirea unui agent blocant la sfarsitul reactiei.

Modelare molecular

Determinarea structurii acidului polilactic Determinarea structurii copolimerilor pe

baz de acid lactic Determinarea propriet ilor mecanice a

polimerilor

Structura acidului polilactic: modele posibile

Optimizarea geometriei - mecanic molecular, UFF - mecanic molecular, Amber - DFT , B3LYP\3-21G* - DFT, M062x\3-21G* - ab initio, HF\3-21G* - ab initio, HF\6-31G* - semiempiric, PM6

Calcularea frecven elor de vibra ie

corespund benzilor observate n spectrele de vibraie IR, Raman alesubstanelor

PLA conformaia helix PLA conformaia Pi helix PLA conformaia 310

Documentatie privind posibile aplicatii in medicina ale biopolimerilor, pe baza proprietatilor determinate

Acidul polilactic si copolimeriisai sunt biocompatibili si pot fiutilizati in: conditionarea de medicamente ortopedie chirurgie proiectare de tesuturi

DNR - daunorubicin, medicament anticancerigen

PLA - acid polilacticTiO2 - particule sferice pe

nanofibrele de acid polilactic

Articole publicate in 2009: 41. Microwawe- assisted synthesis of poly(lactic acid) by direct polycondensation of

lactic acid, Kakes Melinda, Katona Gabriel, Oana Cadar, Cecilia Roman, Majdik Cornelia, Studia Universitatis Babes-Bolyai, Seria Chemia, 2009 (in press)

2. Lipase-catalyzed synthesis of polylactic acid, Melinda Kakes, Majdik Cornelia, Oana Cadar, Cecilia Roman, Mariu Roman, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprem, 2009 .pag 49-53.

3. KKES Melinda, MAJDIK Cornelia, Polylactic Acid: Synthesis, Properties and Applications, a XV-a editie a Conferintei Internationale de Chimie la Universitatea Sapientia, 12-15 noiembrie 2009, Trgu Mures. (in press).

4. Synthesis of low molecular weight poly(L-lactic acid) by direct polycondensation, Oana Cadar, Bela Abraham, Erika Levei, Anamaria Incze, Marin SEmila, Cornelia Majdik, Cecilia Roman, Conferina Internaional de Chimie, 12-15 noiembrie 2009, Trgu Mures. (in press).

Articole publicate in 2010: 31. Synthesis of poly(L-lactic acid) by direct polycondensation,

Oana Cadar, AnaMaria Incze, Marin Senila, Cornelia Majdik, Cecilia Roman, Studia Universitatis Babes-Bolyai, Seria Chemia, 2010 (in press).

2. Lipase-catalyzed synthesis of poly- (Lactic -co- Glycolic ) acids with medical applications, Izabella Irsai, Izabella Szabo, Oana Cadar, Cecilia Roman, Cornelia Majdik, Roumanian Bioetchnological Letters, in curs de publicare

3. H-NMR spectroscopy, an useful tool for structure investigation of lactic acid based oligomers, Izabella Irsai, Oana Cadar, Cecilia Roman, Cornelia Majdik, Polymer Bulletin, trimis spre publicare

Comunicari: 41. Synthesis of low molecular weight poly(L-lactic acid) by direct

polycondensation, Oana Cadar, Bela Abraham, Erika Levei, Anamaria Incze, Marin Senila, Cornelia Majdik, Cecilia Roman, Conferinta Internationala de Chimie, 12-15 noiembrie 2009, Targu Mures (poster).

2. Polymerization of lactic acid: Chemical versus enzyme catalyzed polycondensation, Oana Cadar, Marius Roman, Csaba Paizs, Cornelia Majdik, Cecilia Roman, 16th International Conference on Chemistry, 11-14 November 2010, Cluj-Napoca, Romania (poster).

3. Lactic lacid based biopolymers, Cornelia Majdik, Congresul de chimie al Uniunii Chimistilor Maghiari, Hajduszoboszlo, Ungaria, iunie 2010, conferinta plenara

4. Structure relationship in lactic acid polymers, Oana Cadar, Zoltan Szabadai, Cecilia Roman, Cornelia Majdik, 16th International Conference on Chemistry, 11-14 November 2010, Cluj-Napoca, Romania (poster)

Propunere de brevet: 11. Procedeu de obtinere a acidului L-polilactic prin sinteza asistata de microunde,

Izabella Irzsai, Oana Cadar, Cecilia Roman, Mircea Chintoan, Cornelia Majdik, propunere de brevet de inventie

Conectare la retele: 11. S-a realizat o conectarea la retele internationale mediata de Eotvos Lorand

University din Budapesta, Laborator la care au fost efectuate o parte din analizele prezentate in cadrul prezentei etape. Scrisoarea este atasata prezentei lucrari.

Teze de doctorat: 21. Kakes Melinda, Noi metode de sinteza a copolimerilor pe baza de acid lactic

2. Irsai Izabella, Polimeri pe baza de acid lactic. Modelarea structurii lanturilor polimerice si corelarea structurii cu proprietatile fizico-chimice ale polimerilor

Activitati si rezultate propuse 2011

Etapa 4/30.04.2011Studiul degradarii si biodegradabilitatii biopolimerilor noi obtinuti

9 Buget de stat: 559.036 lei9 Cofinanare: 0 lei9 Activiti de efectuat:- A4.1 Elaborare metoda de testare a proprietatilor de degradare si biodegradare, corelatacu ASTM D6400-99- A4.2 Studiul degradarii si biodegradabilitatii biopolimerilor noi obtinuti. Alimentare baza de date- A4.3 Caracterizarea produsilor de degradare, impactul asupra mediului- A4.4 Demonstrarea utilitatii si functionalitatii noilor biopolimeri obtinuti- A4.5 Diseminare rezultate partiale- A4.6 Vizite de lucru (Ungaria, Germania)

9Achiziii de realizat: 115.000 leiCoordonator Universitatea BABE-BOLYAI Cluj-Napoca 100.000 leiPartener 1 INCDO-INOE 2000, filiala Institutul de Cercetri

pentru Instrumentaie Analitic Cluj-Napoca 15.000 lei

Rezultate estimate Metoda de testare a proprietatilor de degradare si

biodegradare, corelata cu ASTM D6400-99 Documentatie privind degradarea si

biodegradabilitatea biopolimerilor noi obtinuti. Caracterizarea produsilor de degradare, impactul

asupra mediului Utilizarea noilor biopolimeri in conditionarea

medicamentelor Diseminare rezultate Mobilitati: vizite de lucru (Ungaria, Germania)

Etapa 5/01.10.2011Metoda de izolare a acidului lactic din produse secundare de procesele

fermentative din industria laptelui. Realizare metoda BIOPLAST

9 Buget de stat: 848.563 lei9 Cofinanare: 0 lei9 Activiti de efectuat:- A5.1 Elaborare si realizare metoda de izolare a acidului lactic din produse secundare din proceselefermentative din industria laptelui.- A5.2 Elaborare si realizare metoda de analiza structurala a compusului izolat. Experimentari si investigare structurala a compusului izolat- A5.3 Elaborare si realizare metoda de determinare a puritatii optice a compusului izolat- A5.4 Elaborare si realizare metode de obtinere a biopolimerilor studiati cu utilizarea compusului lactic izolat- A5.5 Analiza si caracterizarea complexa a biopolimerilor obtinuti pe baza de compus lactic izolat. Finalizare baza de date-A5.6 Elaborare documentatie tehnica metode-A5.7 Elaborare documentatie analiza tehnico-economica-A5.8 Realizare propunere de brevete (metoda de obtinere a celor 2 biopolimeri studiati) si identificarea drepturilor de proprietate-A5.9 Diseminare rezultate-A5.10 Conectare la retele de cercetare-A5.11 Organizarea de cursuri de formare si perfectionare in vederea realizarii transferului tehnologic

9Achiziii de realizat: 210.000 leiCoordonator Universitatea BABE-BOLYAI Cluj-Napoca 110.000 leiPartener 2 Universitatea POLITEHNICA din Timisoara 100.000 lei

Rezultate estimate

Metode de obtinere a acidului lactic din fractii reziduale dinindustria laptelui.

Metoda de determinare a puritatii optice a compusului izolat Utilizarea acidului lactic obtinut in obtinerea biopolimerilor. Caracteristici ale biopolimerilor obtinuti. Finalizare baza de date Documentatie tehnica-economica a metodei propuse Propunere de brevet (metoda de obtinere a acidului lactic)

Diseminare rezultate Conectare la retele de cercetare Cursuri de formare si perfectionare in vederea realizarii

transferului tehnologic

Propunere financiara, Act aditional 3 - 2010 Buget: 1.407.599 lei Cofinantare: 0 lei

Buget modificat prin Acte Aditionale: 2008: 0 lei 2009: 159.085 lei 2010: 383.316 lei 2011: 1.407.599 lei

Propunere financiara initiala, 2011

Buget: 205.000 lei Cofinantare: 0 lei

Buget negociat prin contractare: 2008: 95.000 lei 2009: 492.964 lei 2010: 1.157.036 lei 2011: 205.000 lei

Activitati-Rezultate 2011 Elaborarea unui process tehnologic de fabricatie a acidului lactic din

fractiile reziduale din industria laptelui x Determinarea compozitiei zeruluix Fermentatia lacticax Izolarea acidului lactic

Aplicatii posibile ale acidului polilactic in conditionare de medicamente.x Transportori de medicamente prin controlul vitezei de eliberare a substantei

active. x Nanocompozite noi cu selectivitate pentru celulele canceroase tinta.

Achizitii : 325.000 din totalul de 1.407.599 aprox 23%x Bioreactor x Autoclava x Nisa sterile echipata x Liofilizatorx Sisteme calculx Analizor elementalx Altele conform cu lista de dotari din contract

72152/2008Slide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Modul de implicare a tinerilor cercetatori comparativ cu cele asumate prin prevederile proiectului din Anexa B. (inclusiv specializari/stagii de formare /doctorate post-doc pe tematica proiectului) Indicatori de rezultatDocumentatie privind metodele de obtinere a polimerilor biodegradabili cu legaturi esterice:Monomeri PolimeriFermentatia lacticaDocumentatie privind metode fizico-chimice utilizate pentru caracterizarea polimerilor biodegradabili si controlul proprietatilor mecanice:Documentatie privind reactia de polimerizare in scopul obtinerii acidului polilacticRapoarte de experimentare: Policondensarea termica fara catalizatori Rapoarte de experimentare: Policondensarea cataliticaSlide Number 16Rapoarte de experimentare: Policondensarea enzimaticaCaracterizare RMN a acidului polilactic Spectrul 1H-NMR al acidului polilactic obtinut Slide Number 20Spectrul MALDI-TOF MS al acidului polilactic obtinut prin metoda de polimerizare catalitica a acidului lactic L la 170C Rapoarte de experimentare. Copolimerul acid lactic-(metilen-difenil-diizocianat) (PLA-MDI) Rapoarte de experimentare. Copolimer acid lactic-acid glicolic (PLA-AG) Documentatie privind metode enzimatice pentru obtinerea copolimerilor PLA-AG Metode de laborator elaborate Proprietatile mecanice ale bio(co)polimerilor sintetizati Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Documentatie privind posibile aplicatii in medicina ale biopolimerilor, pe baza proprietatilor determinateArticole publicate in 2009: 4Articole publicate in 2010: 3Comunicari: 4Propunere de brevet: 1Activitati si rezultate propuse 2011Slide Number 36Rezultate estimateSlide Number 38Rezultate estimatePropunere financiara, Act aditional 3 - 2010Propunere financiara initiala, 2011Activitati-Rezultate 2011