Реферат: Биоактивные производные хитозана

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ

ПОЛИМЕРОВ

ОТЧЕТ ПО ИНЖЕНЕРНОЙПРАКТИКЕ

Биоактивныепроизводные хитозана

ПРОВЕРИЛ: С.Н.С., K.Х.H.

ЛЮДМИЛА АЛЕКСАНДРОВНА НУДЬГА

Институт высокомолекулярных соединенийРоссийской академии наук

ВЫПОЛНИЛ: СТ. ГР. 156

ЕКИМОВ АЛЕКСАНДРВЛАДИМИРОВИЧ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

1Вступление

1.1 Хитозан– природный полимер XXI века

Уникальные свойствахитина и хитозана привлекают внимание большого числа специалистов самых разныхспециальностей. Роль полимеров в нашей жизни является общепризнанной, и всеобласти их применения в быту, промышленном производстве, науке, медицине,культуре трудно даже просто перечислить. Если до XX века человекомиспользовались полимеры природного происхождения – крахмал, целлюлоза (дерево,хлопок, лен), природные полиамиды (шелк), природные полимерные смолы на основеизопрена – каучук, гуттаперча, то развитие химии органического синтеза в XXвеке привело к появлению в различных областях деятельности человека огромногоразнообразия полимеров синтетического происхождения – пластмасс, синтетическихволокон и т.п. Происшедший технологический прорыв не только кардинально изменилнашу жизнь, но и породил массу проблем, связанных с охраной здоровья человека изащитой окружающей среды.

Поэтому закономернымявляется большой интерес науки и промышленности к поиску и использованиюполимеров природного происхождения, таких как хитин и хитозан. Эти полимерыобладают рядом интереснейших свойств, высокой биологической активностью и совместимостьюс тканями человека, животных и растений, не загрязняют окружающую среду,поскольку полностью разрушаются ферментами микроорганизмов, могут широкоприменяться в проведении природоохранных мероприятий.

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

медицина – в качестве средства борьбыс ожирением, связывания и выведения из организма холестерина, профилактики илечения сердечно-сосудистых заболеваний, производства хирургических нитей,искусственной кожи, лекарственных форм антисклеротического, антикоагулянтного иантиартрозного действия, диагностики и лечения злокачественных опухолей и язвыжелудка;

пищевая промышленность – в качествезагустителя и структурообразователя для продуктов диетического питания.

1.2 Историясоздания и применения хитозана

Полимеры этой группызаинтересовали 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 нынешнееназвание получил в 1894 году (F. Hoppe-Seyler). В первой половине XX века кхитину и его производным был проявлен заслуженный интерес, в частности, к немуимели отношение три Нобелевских лауреата: Е. Fischer (1903) cинтезировалглюкозамин, P. Karrer (1929) провел деградацию хитина с помощью хитиназ и,наконец, W.N. Haworth (1939) установил абсолютную конфигурацию глюкозамина.

Биологически активные свойства хитинаи его производного – хитозана — начали изучаться в 1940-50 годах. В СоветскомСоюзе эти исследования проводились учреждениями Министерства обороны и имелизакрытый характер. Последнее было связано со способностью хитозана эффективносвязывать радиоактивные изотопы и тяжелые металлы, поэтому хитозан исследовалсяпрежде всего как эффективный радиопротектор и детоксикант, а такжеисследовались возможности применения его для дезактивации объектов,подвергавшихся радиоактивному заражению.

Новый всплеск интереса кпроизводным хитина и, в частности, хитозану произошел в 70-е годы, когдарезультаты исследований этих соединений начали появляться в открытой печати.Проведенные во всем мире исследования показали уникальные сорбционные свойствахитозана. Обнаружилось отсутствие выраженной субстратной специфичности этоговещества, что означает примерно одинаковую способность связывать как гидрофильные,так и гидрофобные соединения. Кроме того, у хитозана были обнаруженыионообменные, хелатообразующие и комплексообразующие свойства. В дальнейшихисследованиях была показана антибактериальная, антивирусная ииммуностимулирующая активность. Комплексные формы хитозана также проявляютвысокие антиоксидантные свойства, что нашло свое применение в лечениизаболеваний желудочно-кишечного тракта, в лечении механической и ожоговойтравмы.

О большом интересе к проблемам изучения этих биополимеров,технологии их получения и использования свидетельствуют восемь международныхконференций 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 годыхитину и хитозану были посвящены семь конференций: Владивосток (1983),Мурманск (1987), Москва (1991, 1995, 1999 и 2001), Санкт-Петербург 2003, изкоторых две последних имели статус международных. Весной 2000 года было созданоРоссийское Хитиновое Общество, объединившее более 50 региональных отделений.

Все это говорит онарастающем интересе к хитину и хитозану не только химиков, но и специалистовсамого разного профиля – медиков, биологов, микробиологов и биотехнологов.

1.3 Химическоестроение и свойства хитина и хитозана

Хитин является главнымкомпонентом панцирей ракообразных и насекомых. По химической структуре онотносится к полисахаридам, мономером хитина является N-ацетил-1,4-β-D-глюкопиранозамин(рис. 1).

Рис.1 Химическая структура хитина.

При деацетилировании хитинаполучается хитозан.По химической структуре хитозан является сополимеромD-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. В зависимости от эффективности реакциидеацетилирования получаются хитозаны с различной степенью деацетилирования. Степеньдеацетилирования показывает процентное содержание D-глюкозамина в молекулехитозана, т.е. если речь идет о хитозане со степенью деацетилирования 85%, тоэто означает, что в молекуле хитозана в среднем содержится 85% D-глюкозаминовых остатков и 15% N-ацетил-D-глюкозаминовых остатков.

Рис.2Химическая структура хитозана.

Химические свойствахитозана связаны с его химической структурой. Большое количество свободныхаминогрупп в молекуле хитозана определяет его свойство связывать ионы водородаи приобретать избыточный положительный заряд, поэтому хитозан являетсяпрекрасным катионитом. Кроме того, свободные аминогруппы определяютхелатообразующие и комплексообразующие свойства хитозана. Химическая структурахитозана показана на рис.2. Сказанноеобъясняетспособностьхитозана связывать и прочно удерживать ионы металлов (в частности радиоактивныхизотопов и токсичных элементов) за счет разнообразных химических иэлектростатических взаимодействий.

Большое количество водородных связей,которые способен образовать хитозан, определяют его способность связыватьбольшое количество органических водорастворимых веществ, в том числебактериальные токсины и токсины, образующиеся в толстом кишечнике в процессепищеварения.

С другой стороны, обилиеводородных связей между молекулами хитозана приводит к его плохой растворимостив воде, поскольку связи между молекулами хитозана более прочные, чем междумолекулами хитозана и молекулами воды. Вместе с тем, хитозан набухает ирастворяется в органических кислотах – уксусной, лимонной, щавелевой, янтарной,причем при набухании он способен прочно удерживать в своей структурерастворитель, а также растворенные и взвешенные в нем вещества Хитозан такжеспособен связывать предельные углеводороды, жиры и жирорастворимые соединенияза счет гидрофобных взаимодействий и сетчатой структуры, что сближает егопо сорбционным механизмам с циклодекстринами.

Расщепление хитина и хитозана доN-ацетил-D-глюкозамина и D-глюкозамина происходит под действием микробныхферментов – хитиназ и хитобиаз, поэтому они полностью биологически разрушаемы ине загрязняют окружающую среду.

Таким образом, хитозан являетсяуниверсальным сорбентом, способным связывать огромный спектр веществорганической и неорганической природы, что определяет широчайшие возможностиего применения в жизни человека.

Несмотря на огромнуюлитературу о связи сорбционных свойств хитозана с его химической структурой,нельзя сказать, что исследования в области химии хитина/хитозана близки кзавершению. Постоянно открываемые новые свойства этого вещества, в частности,обнаруженная биологическая активность еще не получила должного объяснения сточки зрения химической структуры. Имеющиеся данные, что характер биологическойактивности хитозана зависит от его молекулярного веса и степенидеацетилирования, нуждаются в дальнейшей проверке и изучении. Этот обзорявляется тем более актуальным, что выяснение связи химического строения ибиологической активности позволит создавать вещества, сохраняющие известныесвойства хитозана и обладающие новыми полезными качествами.

2. Биоактивные производные хитозана

2.1Противобактериальное действие четвертичных аммониевых солей хитозана

Производные соединенияхитозана, такие как N,N,N-триметил хитозан, N-N-пропил-N,N-диметил хитозан иN-фурфурил-N,N-диметил хитозан были получены при использовании в качествеисходного продукта хитозана со степенью деацетилирования 96% и следующимимолекулярными 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 реакцииоснования Шиффа с йодистым метилом. На степень превращения в четвертичноесоединение и водорастворимость получившегося производного влияла молекулярнаямасса исходного образца хитозана. [1]

Хотя хитина в природемного, он имеет ограниченное применение из-за его недостаточной растворимости иреакционной способности. Хитозан растворим уксусной кислоте и другихорганических растворителях. [2] Хитозан обладает некоторым бактерицидным и фунгициднымдействием. Однако хитозан показывает свою биологическую активность только вкислой среде, так как он плохо растворяется при pH выше 6,5. Таким образом,водорастворимые производные хитозана, которые растворяются в кислоте, могут иметьхорошие шансы быть внедренными в медицинскую практику как антибактериальныесредства.

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

Рис.3 Синтез N-триметилхитозанайодида

Было исследовано влияниемолекулярной массы на антибактериальную и фунгицидную активность. При выявлениипротивобактериального действия четвертичного производного хитозана против Escherichiacoli определяли минимальную ингибирующую концентрацию (МИК) и минимальнуюбактерицидную концентрацию (МБК) в воде, 0,25% и 0,5% среде уксусной кислоты.Результаты показывают, что антибактериальная активность против Escherichiacoli связана с молекулярной массой. Антибактериальная активностьчетвертичных аммониевых солей хитозана в среде уксусной кислоты более выражена,чем в воде. Их противобактериальное действие тем более выраженное, чем вышеконцентрация уксусной кислоты. Так же было найдено – бактерицидное действиепроизводного сильнее, чем хитозана. [1]

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

В отечественной литературеесть информация о синтезе четвертичных аммониевых соединений хитозана сприменением органических оснований, и исследования, посвященные свойствамполученных соединений Для синтеза применялись перегнанные сухие метил- иэтилиодид. Иодистоводородную кислоту, образующуюся во время реакции, связывалиорганическими основаниями: пиридином, 2,4-лутидином, 2,4,6-коллидином и триэтиламином.Полученное соединение выделяли из реакционной смеси фильтрованием, отмывалиметанолом, сушили.

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

2.2 Лечениеран с применением N-карбоксибутилхитозана

У больных, перенесшихвосстановительную хирургию, донорские участки лечились мягкими прокладками N-карбоксибутилхитозана. При сравнениис контрольными донорскими участками была обнаружена лучшая васкуляризация иотсутствие воспалительных клеток на кожном уровне. Применение N-карбоксибутилхитозана приводило кформированию регулярно организованной кожной ткани и уменьшало аномальноезаживление. [2]

Одно из преимуществ N-карбоксибутил хитозана призаживлении ран — обеспечение гелеподобного слоя при контакте с раневымижидкостями. Данный слой обеспечивает превосходную защиту недавно сформированныхтканей от механических повреждений. Внешняя поверхность прокладки принимала видкорки и обеспечивала защиту против вторичных инфекций ввиду бактерицидностиполимера. В течение периода заживления форма раны сохранялась, хотя её размер уменьшалсябыстро и без осложнений, в противоположность контрольным группам. В контрольныхгруппах форма раны была вскоре потеряна после традиционного лечения. [2]

В ранних стадияхвосстановления ткани N-карбоксибутилхитозан способствует формированию свободной соединительной ткани, а не большихи плотных волоконных связок, облегчая тем самым диффузию. Соединительная тканьрегулярно и надлежащим образом структурирована, без значительных рубцов иобладает хорошей функциональностью т.е. прочностью при растяжении. При образованииэпителия трехмерная решетка является очень важной составляющей. N-карбоксибутил обеспечивает такуюрешетку и возможно модулирует образование эпителия.

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

3. Библиография

1. Zhichen Jia, Dondfengshen, Weiliang Xu// Synthesis and antibacterial activities of quaternaryammonium salt of chitosan// Carbohydrate research 2001, p. 1-6.

2. Graziella Biagini, AldoBertani e.t.c.// Wound managment with N-carboxybutil chitosan// Biomaterials1991, Vol. 12, April, p. 281-285.

3. Hioshi Sashiwa, NoriokiKawasaki e.t.c.// Chemical modifications of chitosan. Part 15 // Carbohydrateresearch 2003.

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

5. Internet

Содержание

1 Вступление… 2

1.1 Хитозан – природный полимер XXIвека… 2

1.2 История создания и примененияхитозана… 3

1.3 Химическое строение и свойствахитина и хитозана… 4

2. Биоактивные производные хитозана… 7

2.1 Противобактериальное действиечетвертичных аммониевых солей хитозана… 7

2.2 Лечение ран с применением N-карбоксибутил хитозана… 10