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
      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
  7
  2.2 Лечение ран с применением N-карбоксибутил хитозана     10

3. Библиография  11