Биоактивные похідні хитозана

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ.

ПОЛИМЕРОВ.

ЗВІТ ПО ІНЖЕНЕРНОЇ ПРАКТИКЕ.

Біоактивні похідні хитозана.

ПЕРЕВІРИВ: С.Н.С., K.Х.H.

ЛЮДМИЛА ОЛЕКСАНДРІВНА НУДЬГА.

Інститут високомолекулярних соединений.

Російської академії наук.

ВИКОНАВ: СП. ГР. 156.

ЄКИМОВ ОЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004.

1 Вступление.

1.1 Хитозан — природний полімер XXI века.

Унікальні властивості хітину і хитозана привертають увагу великого числа фахівців найрізноманітніших спеціальностей. Роль полімерів з нашого життя є загальновизнаною, і всі галузі їх застосування у побуті, промисловому виробництві, науці, медицині, культурі важко навіть перерахувати. Якщо ХХ століття людиною використовувалися полімери природного походження — крохмаль, целюлоза (дерево, бавовну, льон), природні полиамиды (шовк), природні полімерні смоли з урахуванням изопрена — каучук, гутаперча, то розвиток хімії органічного синтезу в XX столітті призвело до появі у різноманітних галузях діяльності величезної розмаїтості полімерів синтетичного походження — пластмас, синтетичних волокон і т.п. Що Стався технологічний прорив як кардинально змінив нашу життя, а й породив масу проблем, що з охороною здоров’я людини й захистом оточуючої среды.

Тому закономірним не є великою інтерес науку й промисловості до пошукові та використанню полімерів природного походження, як-от хітин і хитозан. Ці полімери мають також низку найцікавіших властивостей, високої біологічну активність і сумісністю з тканинами людини, тварин і звинувачують рослин, не забруднюють довкілля, оскільки повністю руйнуються ферментами мікроорганізмів, можуть широко застосовуватися у проведенні природоохоронних заходів. Нині відоме понад 70 напрямів використання хітину і хитозана у різних галузях промисловості, найважливішими у тому числі в усьому світі визнані: медицина — як засіб боротьби з ожирінням, зв’язування і виведення з організму холестерину, профілактики і лікування серцево-судинних захворювань, виробництва хірургічних ниток, штучної шкіри, лікарських форм антисклеротического, антикоагулянтного і антиартрозного дії, діагностику і лікування тих злоякісних пухлин й виразки шлунка; харчова промисловість — як згущувача й структурообразователя для продуктів дієтичного питания.

1.2 Історія створення застосування хитозана.

Полімери цієї групи зацікавили ученых-химиков майже 200 років тому. Хітин було відкрито 1811 року (H. Braconnot, A. Odier), а хитозан в 1859 року (З. Rouget), хоча своє нинішнє назва одержав у 1894 року (F. Hoppe-Seyler). У першій половині ХХ століття до хитину та її похідним був виявлено заслужений інтерес, зокрема, щодо нього були причетні три Нобелівських лауреата: Є. Fischer (1903) cинтезировал глюкозамін, P. Karrer (1929) провів деградацію хітину з допомогою хитиназ і, нарешті, W.N. Haworth (1939) встановив абсолютну конфігурацію глюкозамина. Біологічно активні властивості хітину та її похідного — хитозана — почали вивчатися в 1940;50 роках. У у Радянському Союзі дослідження проводилися закладами Міністерства оборони та мали закритий характер. Останнє був пов’язаний із здатністю хитозана ефективно пов’язувати радіоактивні ізотопи і досить важкі метали, тому хитозан досліджувався передусім ефективний радіопротектор і детоксикант, і навіть досліджувалися можливість застосування її дезактивації об'єктів, піддавалися радіоактивного заражению.

Новий сплеск інтересу до похідним хітину і зокрема, хитозану стався у роки, коли результати досліджень цих сполук почали з’являтися у пресі. Проведені в усьому світі дослідження показали унікальні сорбційні властивості хитозана. Виявилося відсутність вираженої субстратной специфічності цієї речовини, що означає приблизно однакову здатність пов’язувати як гидрофильные, і гидрофобные сполуки. З іншого боку, у хитозана знайшли ионообменные, хелатообразующие і комплексообразующие властивості. У подальших дослідженнях було показано антибактеріальна, антивірусна і иммуностимулирующая активність. Комплексні форми хитозана також виявляють високі антиоксидантные властивості, що вже знайшло застосування при лікуванні захворювань шлунково-кишкового тракту, при лікуванні механічної і опікової травми. Про великий інтерес до проблем вивчення цих біополімерів, технології їх отримання й використання свідчать вісім міжнародних конференцій по хитину і хитозану, проведених протягом останніх 27 років: США (1977), Японія (1982), Італія (1985), Норвегія (1988), США (1991), Польща (1994), Франція (1997).

У Росії її у попередні роки хитину і хитозану були присвячені сім конференцій: Владивосток (1983), Мурманськ (1987), Москва (1991, 1995, 1999 і 2001), Санкт-Петербург 2003, у тому числі дві останніх мали статус міжнародних. Навесні 2000 року було створено Російське Хитиновое Суспільство, котре об'єднало понад 50 відсотків регіональних отделений.

Усе це говорить про наростаючому інтерес до хитину і хитозану як хіміків, а й фахівців найрізноманітнішого профілю — медиків, біологів, мікробіологів і биотехнологов.

1.3 Хімічне будову та властивості хітину і хитозана.

Хітин головне компонентом панцирів ракоподібних і комах. По хімічної структури ним належить до полисахаридам, мономером хітину є N-ацетил-1,4-?-D-глюкопиранозамин (рис. 1). [pic] Рис. 1 Хімічна структура хитина.

При деацетилировании хітину виходить хитозан. По хімічної структурі хитозан є сополимером D-глюкозамина і N-ацетил-Dглюкозамина. Залежно від ефективності реакції деацетилирования виходять хитозаны з різноманітною ступенем деацетилирования. Ступінь деацетилирования показує відсотковий вміст D-глюкозамина в молекулі хитозана, тобто. якщо йдеться про хитозане зі ступенем деацетилирования 85%, це означатиме, що у молекулі хитозана загалом міститься 85% Dглюкозаминовых залишків і 15% N-ацетил-D-глюкозаминовых залишків. [pic] Рис. 2 Хімічна структура хитозана.

Хімічні властивості хитозана пов’язані з його хімічної структурою. Багато вільних аминогрупп в молекулі хитозана визначає її властивість пов’язувати іони водню отримувати надлишковий позитивний заряд, тому хитозан є чудовим катионитом. З іншого боку, вільні аминогруппы визначають хелатообразующие і комплексообразующие властивості хитозана. Хімічна структура хитозана показано на мал.2. Сказане пояснює здатність хитозана пов’язувати й остаточно утримувати іони металів (зокрема радіоактивних ізотопів і токсичних елементів) з допомогою різноманітних хімічних і електростатичних взаємодій. Багато водневих зв’язків, які може утворити хитозан, визначають його спроможність пов’язувати дуже багато органічних водорозчинних речовин, зокрема бактеріальних токсинів і токсини, які утворюються в товстому кишечнику у процесі пищеварения.

З іншого боку, безліч водневих перетинів поміж молекулами хитозана призводить до його поганий розчинності у питній воді, оскільки зв’язок між молекулами хитозана міцніші, цим між молекулами хитозана і молекулами води. Разом про те, хитозан набухає і розчиняється в органічних кислотах — оцтової, лимонної, щавлевої, бурштинової, причому при набряканні він може міцно утримувати своїй структурі розчинник, а також розчинені і зважені у ньому речовини Хитозан також здатний пов’язувати граничні вуглеводні, жири й жиророзчинні сполуки за рахунок гидрофобных взаємодій і сітчастою структури, що зближує його за сорбционным механізмам з циклодекстринами. Розщеплення хітину і хитозана до N-ацетил-D-глюкозамина і D-глюкозамина відбувається під впливом мікробних ферментів — хитиназ і хитобиаз, тому вони цілком біологічно разрушаемы і забруднюють довкілля. Отже, хитозан універсальний сорбентом, здатним пов’язувати величезний спектр речовин органічної і неорганічної природи, який визначає надзвичайно широкі можливості його застосування у житті человека.

Попри величезну літературу зв’язок сорбционных властивостей хитозана з його хімічної структурою, не можна сказати, що дослідження у сфері хімії хитина/хитозана близькі до завершення. Постійно открываемые нових властивостей цієї речовини, зокрема, виявлена біологічна активність ще отримала належного пояснення з погляду хімічної структури. Наявні дані, що характер біологічну активність хитозана залежить з його молекулярного ваги і рівня деацетилирования, потребують подальшої перевірки й вивченні. Цей огляд є тією актуальнішим, що з’ясування зв’язку хімічної будови і біологічну активність дозволить створювати речовини, зберігають відомі властивості хитозана і які мають новими корисними качествами.

2. Біоактивні похідні хитозана 2.1 Противобактериальное дію четвертинних амонієвих солей хитозана.

Похідні сполуки хитозана, такі як N, N, N-триметил хитозан, NN-пропил-N, N-диметил хитозан і N-фурфурил-N, N-диметил хитозан отримано під час використання як вихідного продукту хитозана зі ступенем деацетилирования 96% і такими молекулярними масами — 2,14· 105; 1,9· 104; 7,8· 103. Аминогруппы хитозана реагують з альдегидами, створюючи проміжне з'єднання — підставу Шиффа. Четвертинні солі хитозана отримано при реакції підстави Шиффа з йодистим метилом. На ступінь перетворення на четвертичное з'єднання і водорастворимость получившегося похідного впливала молекулярна маса вихідного зразка хитозана. [1].

Хоча хітину у природі багато, вона має обмежений застосування через його недостатньою розчинності і реакційної здібності. Хитозан розчинний оцтової кислоті та інших органічних розчинниках. [2] Хитозан має деяким бактерицидною і фунгицидным дією. Проте хитозан показує свою біологічну активність лише у кислої середовищі, оскільки він погано розчиняється при pH вище 6,5. Отже, водорозчинні похідні хитозана, які розчиняються в кислоті, може мати хороші шанси бути запровадженими в медичну практику як антибактеріальні средства.

Четвертинні амонієві солі хитозана досліджувалося щодо збільшення розчинності. Опублікована інформацію про синтезі Nдиметилхитозана й одержанні N-триметилхитозана йодида з формальдегідом і боргидридом натрію. Триметилхитозан йодид амонію був отримано реакцією низкоацетилированного хитозана з йодистим метилом і гидроксидом натрію при контрольованих умовах. N-алкил хитозан був приготовлений запровадженням алкильной групи в аминные групи хитозана (Mv 7,25· 105) через підставу Шиффа. Для отримання четвертичной аммониевой солі хитозана, яка розчиняється у питній воді, було проведено реакція похідних N-алкил хитозана з йодистим метилом (рис. 3). Антибактеріальне дія цього похідного хитозана посилювалося зі збільшенням довжини ланцюга алкильного заместителя.

[pic].

Рис. 3 Синтез N-триметилхитозана йодида.

Було досліджувана вплив молекулярної маси на антибактеріальну і фунгицидную активність. При виявленні противобактериального дії четвертинного похідного хитозана проти Escherichia coli визначали мінімальну ингибирующую концентрацію (МІК) і мінімальну бактерицидную концентрацію (МБК) у питній воді, 0,25% і 0,5% середовищі оцтової кислоти. Результати показують, що антибактеріальна активність проти Escherichia coli пов’язані з молекулярної масою. Антибактеріальна активність четвертинних амонієвих солей хитозана серед оцтової кислоти більш виражена, ніж у воді. Їх противобактериальное дію тим паче виражене, що стоїть концентрація оцтової кислоти. Також знайшли — бактерицидну дію похідного сильніше, ніж хитозана. [1].

Хитозан з молекулярної масою не більше от10 000 до 100 000 може корисний обмеження зростання бактерій. Хитозан кальмара з молекулярної масою 220 000 виявляє найбільшу противобактериальную активність. Хитозан з середньої молекулярної масою 9300 ефективний для обмеження зростання Escherichia coli, тоді як хитозан з молекулярної масою 2200 прискорював зростання чисельності бактерій. [1].

У виконанні вітчизняної літературі є інформацію про синтезі четвертинних амонієвих сполук хитозана із застосуванням органічних підстав, і дослідження, присвячені властивостями отриманих сполук Для синтезу застосовувалися перегнані сухі мітиві этилиодид. Иодистоводородную кислоту, образующуюся під час реакції, пов’язували органічними підставами: пиридином, 2,4-лутидином, 2,4,6-коллидином і триэтиламином. Отримане з'єднання виділяли з реакційної суміші фільтруванням, відмивали метанолом, сушили.

Встановлено, що рКа хитозана 6.30. Було зроблено висновок, що підвищення ступеня N-алкилирования спостерігатиметься під час використання підстав з рКа > 6.30. Досліди показали, що глибоко реакція іде у присутності триэтиламина, рКа якого значно вищий, ніж в хитозана. Встановлено, що N-триметилі N-триэтилхитозаны є полиэлектролитами та його основность збільшується зі зростанням ступеня заміщення. [4].

2.2 Лікування ран із застосуванням N-карбоксибутил хитозана У хворих, перенесли восстановительную хірургію, донорські ділянки лікувалися м’якими прокладками N-карбоксибутилхитозана. При порівнянні з контрольними донорськими ділянками було виявлено найкраща васкуляризация і відсутність запальних клітин на шкірному рівні. Застосування Nкарбоксибутилхитозана зумовлювало формуванню регулярно організованою шкірної тканини і зменшувало аномальне загоєння. [2].

Один із переваг N-карбоксибутил хитозана при загоєнні ран — забезпечення гелеподобного шару за хорошого контакту з раневыми рідинами. Цей шар забезпечує чудову захист недавно сформованих тканин від механічних ушкоджень. Зовнішня поверхню прокладки приймала вид палітурки і забезпечувала захист проти вторинних інфекцій через бактерицидности полімеру. Протягом періоду загоєння форма рани зберігалася, хоча її розмір зменшувався швидко і ускладнень, на противагу контрольним групам. У контрольних групах форма рани була невдовзі втрачені після традиційного лікування. [2].

У ранніх стадіях відновлення тканини N-карбоксибутил хитозан сприяє формуванню вільної сполучної тканини, а чи не великих коштів і щільних волоконных зв’язок, полегшуючи цим дифузію. Сполучна тканину регулярно і належно своїх структурована, без значних рубців й володіє хорошою функціональністю тобто. міцністю при розтягненні. При освіті епітелію тривимірна решітка є дуже важливою складової. N-карбоксибутил забезпечує таку грати і, можливо модулює освіту эпителия.

Отже N-карбоксибутил хитозан може класифікуватися як новим типом біологічно активних перев’язувальних 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 Ncarboxybutil 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, Є. А. Плиско, З. М. Данилов // N-алкилирование хитозана// Журнал загальної хімії 1973, тому XLIII, з. 2756−2760.

5. Internet.

1 Вступ 2.

1.1 Хитозан — природний полімер ХХІ сторіччя 2 1.2 Історія створення застосування хитозана 3 1.3 Хімічне будову та властивості хітину і хитозана 4.

2. Біоактивні похідні хитозана 7.

2.1 Противобактериальное дію четвертинних амонієвих солей хитозана 7 2.2 Лікування ран із застосуванням N-карбоксибутил хитозана 10.

3. Бібліографія 11.