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).

[pic]

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.

[pic]

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.

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.

[pic]

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

1.2 История создания и применения хитозана 3

1.3 Химическое строение и свойства хитина и хитозана 4

2. Биоактивные производные хитозана 7

2.1 Противобактериальное действие четвертичных аммониевых солей хитозана

2.2 Лечение ран с применением N-карбоксибутил хитозана 10

3. Библиография 11