Химическое строение и свойства хитина и хитозана

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.

 

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 (M_v 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.

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 рК_а хитозана 6.30. Был сделан вывод, что повышение степени N-алкилирования будет наблюдаться при использовании оснований с рК_а > 6.30. Опыты показали, что наиболее глубоко реакция идет в присутствии триэтиламина, рК_а 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