Биоактивные производные хитозана

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
РАСТИТЕЛЬНЫХ

ПОЛИМЕРОВ

ОТЧЕТ ПО ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ

ПРОВЕРИЛ: С.Н.С., K.Х.H.

ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА НУДЬГА

Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук

ВЫПОЛНИЛ: СТ. ГР. 156

ЕКИМОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

1 Вступление

1.1 Хитозан – природный полимер XXI века

Уникальные свойства хитина и хитозана привлекают внимание большого числа
специалистов самых разных специальностей. Роль полимеров в нашей жизни
является общепризнанной, и все области их применения в быту,
промышленном производстве, науке, медицине, культуре трудно даже просто
перечислить. Если до XX века человеком использовались полимеры
природного происхождения – крахмал, целлюлоза (дерево, хлопок, лен),
природные полиамиды (шелк), природные полимерные смолы на основе
изопрена – каучук, гуттаперча, то развитие химии органического синтеза в
XX веке привело к появлению в различных областях деятельности человека
огромного разнообразия полимеров синтетического происхождения –
пластмасс, синтетических волокон и т.п. Происшедший технологический
прорыв не только кардинально изменил нашу жизнь, но и породил массу
проблем, связанных с охраной здоровья человека и защитой окружающей
среды.

Поэтому закономерным является большой интерес науки и промышленности к
поиску и использованию полимеров природного происхождения, таких как
хитин и хитозан. Эти полимеры обладают рядом интереснейших свойств,
высокой биологической активностью и совместимостью с тканями человека,
животных и растений, не загрязняют окружающую среду, поскольку полностью
разрушаются ферментами микроорганизмов, могут широко применяться в
проведении природоохранных мероприятий.

В настоящее время известно более 70 направлений использования хитина и
хитозана в различных отраслях промышленности, наиболее важными из
которых во всем мире признаны:

медицина – в качестве средства борьбы с ожирением, связывания и
выведения из организма холестерина, профилактики и лечения
сердечно-сосудистых заболеваний, производства хирургических нитей,
искусственной кожи, лекарственных форм антисклеротического,
антикоагулянтного и антиартрозного действия, диагностики и лечения
злокачественных опухолей и язвы желудка;

пищевая промышленность – в качестве загустителя и структурообразователя
для продуктов диетического питания.

1.2 История создания и применения хитозана

Полимеры этой группы заинтересовали ученых-химиков почти 200 лет назад.
Хитин был открыт в 1811 году (H. Braconnot, A. Odier), а хитозан в 1859
году (С. Rouget), хотя свое нынешнее название получил в 1894 году (F.
Hoppe-Seyler). В первой половине XX века к хитину и его производным был
проявлен заслуженный интерес, в частности, к нему имели отношение три
Нобелевских лауреата: Е. Fischer (1903) cинтезировал глюкозамин, P.
Karrer (1929) провел деградацию хитина с помощью хитиназ и, наконец,
W.N. Haworth (1939) установил абсолютную конфигурацию глюкозамина.

Биологически активные свойства хитина и его производного – хитозана –
начали изучаться в 1940-50 годах. В Советском Союзе эти исследования
проводились учреждениями Министерства обороны и имели закрытый характер.
Последнее было связано со способностью хитозана эффективно связывать
радиоактивные изотопы и тяжелые металлы, поэтому хитозан исследовался
прежде всего как эффективный радиопротектор и детоксикант, а также
исследовались возможности применения его для дезактивации объектов,
подвергавшихся радиоактивному заражению.

Новый всплеск интереса к производным хитина и, в частности, хитозану
произошел в 70-е годы, когда результаты исследований этих соединений
начали появляться в открытой печати. Проведенные во всем мире
исследования показали уникальные сорбционные свойства хитозана.
Обнаружилось отсутствие выраженной субстратной специфичности этого
вещества, что означает примерно одинаковую способность связывать как
гидрофильные, так и гидрофобные соединения. Кроме того, у хитозана были
обнаружены ионообменные, хелатообразующие и комплексообразующие
свойства. В дальнейших исследованиях была показана антибактериальная,
антивирусная и иммуностимулирующая активность. Комплексные формы
хитозана также проявляют высокие антиоксидантные свойства, что нашло
свое применение в лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта, в
лечении механической и ожоговой травмы.

О большом интересе к проблемам изучения этих биополимеров, технологии их
получения и использования свидетельствуют восемь международных
конференций по хитину и хитозану, проведенных за последние 27 лет: США
(1977), Япония (1982), Италия (1985), Норвегия (1988), США (1991),
Польша (1994), Франция (1997)

В России за прошедшие годы хитину и хитозану были посвящены семь
конференций: Владивосток (1983), Мурманск (1987), Москва (1991, 1995,
1999 и 2001), Санкт-Петербург 2003, из которых две последних имели
статус международных. Весной 2000 года было создано Российское Хитиновое
Общество, объединившее более 50 региональных отделений.

Все это говорит о нарастающем интересе к хитину и хитозану не только
химиков, но и специалистов самого разного профиля – медиков, биологов,
микробиологов и биотехнологов.

1.3 Химическое строение и свойства хитина и хитозана

Хитин является главным компонентом панцирей ракообразных и насекомых. По
химической структуре он относится к полисахаридам, мономером хитина
является N-ацетил-1,4-?-D-глюкопиранозамин (рис. 1).

Рис. 1 Химическая структура хитина.

При деацетилировании хитина получается хитозан. По химической структуре
хитозан является сополимером D-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. В
зависимости от эффективности реакции деацетилирования получаются
хитозаны с различной степенью деацетилирования . Степень
деацетилирования показывает процентное содержание D-глюкозамина в
молекуле хитозана, т.е. если речь идет о хитозане со степенью
деацетилирования 85%, то это означает, что в молекуле хитозана в среднем
содержится 85% D- глюкозаминовых остатков и 15%
N-ацетил-D-глюкозаминовых остатков.

Рис.2 Химическая структура хитозана.

Химические свойства хитозана связаны с его химической структурой.
Большое количество свободных аминогрупп в молекуле хитозана определяет
его свойство связывать ионы водорода и приобретать избыточный
положительный заряд, поэтому хитозан является прекрасным катионитом.
Кроме того, свободные аминогруппы определяют хелатообразующие и
комплексообразующие свойства хитозана. Химическая структура хитозана
показана на рис.2. Сказанное объясняет способность хитозана связывать и
прочно удерживать ионы металлов (в частности радиоактивных изотопов и
токсичных элементов) за счет разнообразных химических и
электростатических взаимодействий.

Большое количество водородных связей, которые способен образовать
хитозан, определяют его способность связывать большое количество
органических водорастворимых веществ, в том числе бактериальные токсины
и токсины, образующиеся в толстом кишечнике в процессе пищеварения.

С другой стороны, обилие водородных связей между молекулами хитозана
приводит к его плохой растворимости в воде, поскольку связи между
молекулами хитозана более прочные, чем между молекулами хитозана и
молекулами воды. Вместе с тем, хитозан набухает и растворяется в
органических кислотах – уксусной, лимонной, щавелевой, янтарной, причем
при набухании он способен прочно удерживать в своей структуре
растворитель, а также растворенные и взвешенные в нем вещества Хитозан
также способен связывать предельные углеводороды, жиры и жирорастворимые
соединения за счет гидрофобных взаимодействий и сетчатой структуры, что
сближает его по сорбционным механизмам с циклодекстринами.

Расщепление хитина и хитозана до N-ацетил-D-глюкозамина и D-глюкозамина
происходит под действием микробных ферментов – хитиназ и хитобиаз,
поэтому они полностью биологически разрушаемы и не загрязняют окружающую
среду.

Таким образом, хитозан является универсальным сорбентом, способным
связывать огромный спектр веществ органической и неорганической природы,
что определяет широчайшие возможности его применения в жизни человека.

¤?

hdG

-Несмотря на огромную литературу о связи сорбционных свойств хитозана с
его химической структурой, нельзя сказать, что исследования в области
химии хитина/хитозана близки к завершению. Постоянно открываемые новые
свойства этого вещества, в частности, обнаруженная биологическая
активность еще не получила должного объяснения с точки зрения химической
структуры. Имеющиеся данные, что характер биологической активности
хитозана зависит от его молекулярного веса и степени деацетилирования,
нуждаются в дальнейшей проверке и изучении. Этот обзор является тем
более актуальным, что выяснение связи химического строения и
биологической активности позволит создавать вещества, сохраняющие
известные свойства хитозана и обладающие новыми полезными качествами.

2. Биоактивные производные хитозана

2.1 Противобактериальное действие четвертичных аммониевых солей хитозана

Производные соединения хитозана, такие как N,N,N-триметил хитозан,
N-N-пропил-N,N-диметил хитозан и N-фурфурил-N,N-диметил хитозан были
получены при использовании в качестве исходного продукта хитозана со
степенью деацетилирования 96% и следующими молекулярными массами –
2,14·105; 1,9·104; 7,8·103 . Аминогруппы хитозана реагируют с
альдегидами, образуя промежуточное соединение – основание Шиффа.
Четвертичные соли хитозана были получены при реакции основания Шиффа с
йодистым метилом. На степень превращения в четвертичное соединение и
водорастворимость получившегося производного влияла молекулярная масса
исходного образца хитозана. [1]

Хотя хитина в природе много, он имеет ограниченное применение из-за его
недостаточной растворимости и реакционной способности. Хитозан растворим
уксусной кислоте и других органических растворителях. [2] Хитозан
обладает некоторым бактерицидным и фунгицидным действием. Однако
хитозан показывает свою биологическую активность только в кислой среде,
так как он плохо растворяется при pH выше 6,5. Таким образом,
водорастворимые производные хитозана, которые растворяются в кислоте,
могут иметь хорошие шансы быть внедренными в медицинскую практику как
антибактериальные средства.

Четвертичные аммониевые соли хитозана были исследованы на предмет
увеличения растворимости. Опубликована информация о синтезе
N-диметилхитозана и получении N-триметилхитозана йодида с формальдегидом
и боргидридом натрия. Триметилхитозан йодид аммония был также получен
реакцией низкоацетилированного хитозана с йодистым метилом и гидроксидом
натрия при контролируемых условиях. N-алкил хитозан был приготовлен
введением алкильной группы в аминные группы хитозана (Mv 7,25·105) через
основание Шиффа. Для получения четвертичной аммониевой соли хитозана,
которая растворяется в воде, была проведена реакция производных N-алкил
хитозана с йодистым метилом (рис. 3). Антибактериальное действие данного
производного хитозана усиливалось с увеличением длины цепи алкильного
заместителя.

Рис.3 Синтез N-триметилхитозана йодида

Было исследовано влияние молекулярной массы на антибактериальную и
фунгицидную активность. При выявлении противобактериального действия
четвертичного производного хитозана против Escherichia coli определяли
минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) и минимальную бактерицидную
концентрацию (МБК) в воде, 0,25% и 0,5% среде уксусной кислоты.
Результаты показывают, что антибактериальная активность против
Escherichia coli связана с молекулярной массой. Антибактериальная
активность четвертичных аммониевых солей хитозана в среде уксусной
кислоты более выражена, чем в воде. Их противобактериальное действие тем
более выраженное, чем выше концентрация уксусной кислоты. Так же было
найдено – бактерицидное действие производного сильнее, чем хитозана. [1]

Хитозан с молекулярной массой в пределах от10000 до 100000 может быть
полезен для ограничения роста бактерий. Хитозан кальмара с молекулярной
массой 220000 проявляет наибольшую противобактериальную активность.
Хитозан со средней молекулярной массой 9300 эффективен для ограничения
роста Escherichia coli, в то время как хитозан с молекулярной массой
2200 ускорял рост численности бактерий. [1]

В отечественной литературе есть информация о синтезе четвертичных
аммониевых соединений хитозана с применением органических оснований, и
исследования, посвященные свойствам полученных соединений Для синтеза
применялись перегнанные сухие метил- и этилиодид. Иодистоводородную
кислоту, образующуюся во время реакции, связывали органическими
основаниями: пиридином, 2,4-лутидином, 2,4,6-коллидином и триэтиламином.
Полученное соединение выделяли из реакционной смеси фильтрованием,
отмывали метанолом, сушили.

Было установлено, что рКа хитозана 6.30. Был сделан вывод, что
повышение степени N-алкилирования будет наблюдаться при использовании
оснований с рКа > 6.30. Опыты показали, что наиболее глубоко реакция
идет в присутствии триэтиламина, рКа которого гораздо выше, чем у
хитозана. Установлено, что N-триметил- и N-триэтилхитозаны являются
полиэлектролитами и их основность увеличивается с ростом степени
замещения. [4]

2.2 Лечение ран с применением N-карбоксибутил хитозана

У больных, перенесших восстановительную хирургию, донорские участки
лечились мягкими прокладками N-карбоксибутилхитозана. При сравнении с
контрольными донорскими участками была обнаружена лучшая васкуляризация
и отсутствие воспалительных клеток на кожном уровне. Применение
N-карбоксибутилхитозана приводило к формированию регулярно
организованной кожной ткани и уменьшало аномальное заживление. [2]

Одно из преимуществ N-карбоксибутил хитозана при заживлении ран –
обеспечение гелеподобного слоя при контакте с раневыми жидкостями.
Данный слой обеспечивает превосходную защиту недавно сформированных
тканей от механических повреждений. Внешняя поверхность прокладки
принимала вид корки и обеспечивала защиту против вторичных инфекций
ввиду бактерицидности полимера. В течение периода заживления форма раны
сохранялась, хотя её размер уменьшался быстро и без осложнений, в
противоположность контрольным группам. В контрольных группах форма раны
была вскоре потеряна после традиционного лечения. [2]

В ранних стадиях восстановления ткани N-карбоксибутил хитозан
способствует формированию свободной соединительной ткани, а не больших
и плотных волоконных связок, облегчая тем самым диффузию. Соединительная
ткань регулярно и надлежащим образом структурирована, без значительных
рубцов и обладает хорошей функциональностью т.е. прочностью при
растяжении. При образовании эпителия трехмерная решетка является очень
важной составляющей. N-карбоксибутил обеспечивает такую решетку и
возможно модулирует образование эпителия.

Таким образом N-карбоксибутил хитозан может классифицироваться как
новый тип биологически активных перевязочных средств.

3. Библиография

Zhichen Jia, Dondfeng shen, Weiliang Xu// Synthesis and antibacterial
activities of quaternary ammonium salt of chitosan// Carbohydrate
research 2001, p. 1-6.

Graziella Biagini, Aldo Bertani e.t.c.// Wound managment with
N-carboxybutil chitosan// Biomaterials 1991, Vol. 12, April, p. 281-285.

Hioshi Sashiwa, Norioki Kawasaki e.t.c.// Chemical modifications of
chitosan. Part 15 // Carbohydrate research 2003.

Л. А. Нудьга, Е. А. Плиско, С. Н. Данилов // N-алкилирование хитозана//
Журнал общей химии 1973, том XLIII, с. 2756-2760.

5. Internet

Содержание

TOC \o “1-2” \h \z \u HYPERLINK \l “_Toc89089028” 1 Вступление
PAGEREF _Toc89089028 \h 2

HYPERLINK \l “_Toc89089029” 1.1 Хитозан – природный полимер XXI века
PAGEREF _Toc89089029 \h 2

HYPERLINK \l “_Toc89089030” 1.2 История создания и применения
хитозана PAGEREF _Toc89089030 \h 3

HYPERLINK \l “_Toc89089031” 1.3 Химическое строение и свойства хитина
и хитозана PAGEREF _Toc89089031 \h 4

HYPERLINK \l “_Toc89089032” 2. Биоактивные производные хитозана
PAGEREF _Toc89089032 \h 7

HYPERLINK \l “_Toc89089033” 2.1 Противобактериальное действие
четвертичных аммониевых солей хитозана PAGEREF _Toc89089033 \h 7

HYPERLINK \l “_Toc89089034” 2.2 Лечение ран с применением
N-карбоксибутил хитозана PAGEREF _Toc89089034 \h 10

HYPERLINK \l “_Toc89089035” 3. Библиография PAGEREF _Toc89089035 \h
11

PAGE 11

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter