Биоактивные производные хитозана
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ
ПОЛИМЕРОВ
ОТЧЕТ ПО
ИНЖЕНЕРНОЙ ПРАКТИКЕ
Биоактивные
производные хитозана
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
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-β-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.
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.
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
1. Zhichen Jia, Dondfeng shen, Weiliang
Xu// Synthesis and antibacterial activities of quaternary ammonium salt of
chitosan// Carbohydrate research 2001, p. 1-6.
2. Graziella Biagini, Aldo Bertani
e.t.c.// Wound managment with N-carboxybutil chitosan// Biomaterials 1991, Vol.
12, April, p. 281-285.
3. Hioshi Sashiwa, Norioki Kawasaki
e.t.c.// Chemical modifications of chitosan. Part 15 // Carbohydrate research
2003.
4. Л. А. Нудьга, Е. А. Плиско,
С. Н. Данилов // N-алкилирование хитозана//
Журнал общей химии 1973, том XLIII, с. 2756-2760.
5. Internet
Содержание
1 Вступление. 2
1.1 Хитозан – природный
полимер XXI века.. 2
1.3 Химическое строение и
свойства хитина и хитозана.. 4
2.
Биоактивные производные хитозана.. 7
2.1 Противобактериальное
действие четвертичных аммониевых солей хитозана.. 7
2.2 Лечение ран с применением
N-карбоксибутил хитозана.. 10
3. Библиография.. 11