Биоактивные производные хитозана - конспект - Химия, Упражнения из Химия
zaycev_ia
zaycev_ia20 June 2013

Биоактивные производные хитозана - конспект - Химия, Упражнения из Химия

PDF (221.5 KB)
13 страница
379количество посещений
Описание
I.M. Sechenov Moscow Medical Academy. Реферат по химии. Хитозан – природный полимер XXI века Уникальные свойства хитина и хитозана привлекают внимание большого числа специалистов самых разных специальностей. Роль полим...
20очки
пункты необходимо загрузить
этот документ
скачать документ
предварительный показ3 страница / 13
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
предварительный показ закончен
консультироваться и скачать документ
?????-????????????? ??????????????? ??????????????? ??????????? ????????????

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

2

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

2

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

2

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.

2

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.

2

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

2

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

2

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.

2

3). Антибактериальное действие данного производного хитозана

усиливалось с увеличением длины цепи алкильного заместителя.

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.

2

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

2

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

2

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

2

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

комментарии (0)
не были сделаны комментарии
Напиши ваш первый комментарий
это только предварительный показ
консультироваться и скачать документ
Docsity не оптимизирован для браузера, который вы используете. Войдите с помощью Google Chrome, Firefox, Internet Explorer 9+ или Safari! Скачать Google Chrome