текстильное материаловеденье. текст. материаловеденье. Волокнистые материалы на основе хитина и хитозана получение, свойства, перспективные области применения
 Скачать 149.5 Kb.
|
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 1. АССОРТИМЕНТ ХИТИНА И ХИТОЗАНА 5 1.1 История создания хитина и хитозана 5 1.2 Основные области применения 6 1.3 Оценка рынка биоразлагаемых полимеров 9 2.ПОЛУЧЕНИЕ ХИТИНА И ХИТОЗАНА 12 2.1Сырье для получения хитина и хитозана 13 Особенности получения, последовательность и технологическая схема процесса производства хитина и хитозана 17 3. СВОЙСТВА ХИТИНА И ХИТОЗАНА 20 4. ПРИМЕНЕНИЕ ХИТИНА, ХИТОЗАНА И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ ВЫВОД 26 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 27 ПРИЛОЖЕНИЕ А 28 ВВЕДЕНИЕ 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. Основная задача современного полимерного материаловедения заключается в поиске новых полимеров, способных к разложению в природной среде, новый взгляд на уже ранее изученные полимеры природного происхождения, разработка безопасных и экологичных процессов выделения полимеров из исходного сырья и их дальнейшей переработки, получение готового продукта, соответствующего нормам и требованиям соответствующей области его использования. В связи с этим, особое значение имеет разработка новых биодеградируемых материалов медицинского назначения, предназначенных для контакта со средой живого организма и необходимых для изготовления инновационных лекарственных форм, восстановления поврежденных тканей, повышения биосовместимости шовных нитей и других материалов медицинского назначения. Наибольшее распространение среди биоразлагаемых полимеров получили синтетические алифатические сложные полиэфиры, такие как полилактид, полигликолид и сополимеры на основе лактонов, полиэфиры микробного происхождения – полигидроксибутират и другие полигидроксиалканоаты, полисахариды гиалуроновая кислота и хитозан. Эти биополимеры стоит рассмотреть подробнее. Биополимеры хитозан – продукт деацетилирования полимера природного происхождения хитина и гиалуроновая кислота (ГК) — полисахарид, входящий в состав соединительной, эпителиальной и нервной тканей и обладающий способностью воздействовать на процессы регенерации живых тканей - обладают биологической активностью, способностью к биодеградации, совместимостью с тканями, животных и человека, антимикробными и ранозаживляющих свойствами. Растворителями для хитозана являются водные растворы одноосновных кислот, а ГК растворяется в воде, поэтому материалы на их основе не содержат токсичных растворителей и являются безвредными для организма. На основе хитозана создаются раневые покрытия, хирургические нити, пленки, предназначенные для использования в качестве сорбентов, покрытий лекарственных веществ, обеспечивающих направленную доставку лекарства внутрь организма или пролонгированное их выделение, или матриц для тканевой инженерии. АССОРТИМЕНТ ХИТИНА И ХИТОЗАНА 1.1 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ХИТИНА И 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 (имеющие сродство к воде), так и гидрофобные (не имеющие сродства к воде) 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. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Хитозан – существует в небольших количествах в природном хитине, и образуется с различной степенью деацетилирования при воздействии на хитин концентрированной щелочи и нагревании выше 60°С. Так же, хитозан встречается в естественном виде в некоторых грибах, но всегда содержится в меньших количествах, чем хитин. Большое количество научных публикаций, патентов, интернет сайтов в наше время говорит о больших успехах в производстве и применении хитина и хитозана. Благодаря функциональным и физико-химическим свойствам возможно использование их в самых различных отраслях, таких как сельское хозяйство, пищевая промышленность, косметология, медицина, биотехнология и многих других. Благодаря нерастворимости хитина в большинстве растворителей он наиболее применим в тех областях, в которых он используется в твердом состоянии. Это комплексообразование и адсорбция. Хитин – превосходный флокулянт. Он связывается с поверхностью клеток, а так же обладает способностью к образованию мембран при взаимодействии с полифосфатом или альгинатом. Bough показал, что с помощью хитина возможно удалять твердые взвешенные вещества из сточных вод, поступивших после обработки овощей. В Японии хитин был впервые использован для очистки сточных вод от ртути, кадмия и свинца из-за его металлосвязующих свойств. Хитозан является единственным природным катионным полисахаридом. Это придает ему особые свойства, объясняющие его столь широкое применение. Хитозан не растворим в воде, он растворяется в слабых растворах органических кислот (уксусная, соляная), однако, существуют определенные методы получения хитозанов, растворимых в воде, обработав хитозан раствором, содержащим уксусную кислоту, метанол и пиридин. Так как хитозан в отличие от хитина может быть использован в виде раствора, это расширяет возможности его применения. Гидроксильная и аминогруппы хитозана вступают в различные химические реакции, придавая готовому продукту специфические и полезные свойства. Sandford и Steiner выявили, что хитозан обладает рядом биологических свойств: кровеостанавливающие, бактерицидные, фунгицистатические, противоопухолевые. К настоящему времени известно более 70 направлений практического применения хитозана: 1. Биологически активные добавки к пище, как источник пищевых волокон. Хитозан способен подавлять чувство голода и как следствие нормализация веса, проявляет гиполипидемическое и желчегонное действие 2. Косметические препараты на основе хитозана впервые появились в 1970 годы. Хитозан положительно заряженный полимер и способен взаимодействовать с отрицательно заряженными биологическими тканями – кожей и волосами. 3. Хитозан можно использовать как сорбент и флокулянт для очистки воды в водоемах, фильтровать питьевую воду для бытового потребления, приготовления пива и алкогольных напитков, проводить детоксикацию промышленных стоков 4. В сельском хозяйстве хитозан используется как средство для борьбы с болезнями растений. Обработка растений хитозаном индуцирует болезнеустойчивость, утолщает стебель и способствует укреплению корневой системы 5. Применение хитозана в медицине. По своему строению близок к целлюлозе и поэтому, как и целлюлоза обладает волокно- и пленкообразующими свойствами. Используется в составе лекарственных средств: мазей, гелей, кремов, перевязочных материалов, хирургических саморассасывающихся нитей. В комбинации с другими веществами благодаря набору функциональных групп образует прочные связи с действующими компонентами, играет роль депо. Использование в качестве природного каркаса для разработки биодеградируемых повязок. Создание биодеградируемых носителей антибиотиков, противоопухолевых, противовирусных препаратов в виде пленок, применение которых обеспечивает пролонгирование их действия. Хитозан способен повышать неспецифическую резистентность животных при физических нагрузках, гипоксии, тем самым способствует усилению адаптационных возможностей организма животных в условиях максимальной физической работы и психоэмоционального стресса Вследствие своих гелеобразующих свойств хитозан в составе лекарственных форм способен предохранять кожу и слизистую оболочку желудка от вредных воздействий химических веществ, а также, применяется в онкологии благодаря способности тормозить рост раковых клеток. Оказывает влияние на процессы посттравматической регенерации кожи, стимулирует регенеративные процессы, ускоряет очищение ран от мертвых клеток, активируя нейтрофильные лейкоциты и макрофаги. Увеличивается количество фибробластов в ране и синтез коллагена в дерме, что отражается в ускоренном течении заживления раны. Способствует заживлению ткани с минимальным образованием рубца. Проявляет антитоксическое, антибактериальное и противовирусное действие, используется в многокомпонентных препаратах с целью увеличения срока годности. 1.3 ОЦЕНКА РЫНКА БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ. Доходность и товарооборот хитозановой отрасли выше, чем целлюлозно-бумажной. Однако биотехнологии – бизнес достаточно высокого уровня риска, потому что необходимо постоянно финансировать НИОКР и защищать интеллектуальную собственность. В докладе «Хитин и хитозан: глобальный стратегический бизнес-отчет» говорится о том, что мировой рынок этих полимеров достигает 63 млрд долл. (рис. 3). До 65% составляет сегмент упаковки, в том числе для общественного питания (в 2011 г. – 1,04 млрд долл. к 2016 г. по прогнозу – 2,7). Производство волокон и продуктов на основе хитозана, особенно медицинских и гигиенических, значительно растет. В 2011 г. оно оценивалось в 213,4 млрд долл., а в 2016 г. достигнет 692,8. Это высококонкурентный рынок, на котором лидируют компании Китая. Изготовление натуральных полимеров в Европе с 2006–2007 гг. сильно расширилось, причем наибольшая доля принадлежит Финляндии (33,2%). В 2006 и 2007 гг. их вывезли на сумму 465 и 498 млн евро соответственно. Главным экспортером является Швеция. Европа активно импортирует биополимеры – до 598 млн долл., их наибольшее количество ввозят Франция (53%) и Германия (11%). Хитин и хитозан можно применять в биомедицине, в переработке отходов, нанотехнологиях, при создании экологических и обогащенных продуктов питания, для охраны окружающей среды и др. Европа – крупнейший и наиболее интересный рынок сбыта биопластиков в мире, а также лидер в области их исследований и развития. Но количество промышленных производств, напротив, быстро растет в странах Азии и Южной Америки. В Японии, например, равно как и в других развитых странах, вследствие нехватки чистой воды и увеличения спроса на биополимеры в качестве флокулянтов прогнозируется расширение рынка. Наибольший его рост ожидается в течение ближайших 5 лет. Аналитики предсказывают повышение спроса в Азиатско-Тихоокеанском регионе, ЛатинскойАмерике, на Ближнем Востоке ипостсоветском пространстве. Основные проблемы, влияющие на рынок хитина/хитозана, – высокие издержки производства из-за проблем с сырьем. Получение дешевого высокоочищенного хитозана даст старт к развитию рынка в глобальном масштабе. Среди сфер конечного применения этого биополимера самая крупная – очистка воды. Однако сегмент агрохимического использования стремительно растет. Использование хитозана в сельском хозяйстве представляет особый интерес, его биологическая активность при действии на клетки растений и грибов обусловлена наличием в его молекулах положительно заряженных реакционноспособных групп, относительное содержание которых зависит от степени деацетилирования. Хитозан используется для гранулирования удобрений, усиления действия инсектицидов и пестицидов, для борьбы с вирусными заболеваниями растений, как добавка к корму птиц для увеличения их привеса. Хитозан безопасен для человека, сельскохозяйственных животных и окружающей среды, в природных условиях он распадается с образованием простого совершенно безопасного моносахарида D-глюкозамина. Хитозан можно включать в состав удобрений, средств защиты растений и стимуляторов роста, биологически разлагаемой упаковки и консервантов для пищевых или сельскохозяйственных продуктов, средств борьбы с болезнями растений, а также применять для повышения и сохранения урожая, иммуностимуляции растений. Хитозансодержащие добавки используются в качестве энтеросорбентов для коррекции экотоксикантов (Zn, Cu, Cd и Pb) в органах и тканях сельскохозяйственных животных, способствуют выведению вредных веществ и увеличениюприроста живой массы до 16% . В рыбном хозяйстве с помощью хитозана изготавливают корма, очищают воду при контейнерной перевозке большого количества живой рыбы, продлевают срок ее хранения в холодильниках, снижают содержание липидов в рыбном фарше. ПОЛУЧЕНИЕ ХИТИНА И ХИТОЗАНА 2.1 СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХИТИНА И ХИТОЗАНАВ природных объектах хитин является компонентом гликопептида и химически связан с его белковой частью пептидной связью, образующейся при участии одной из деацетилированных аминогрупп хитина. Помимо гликопептида, в состав панциря ракообразных также входят неорганические соли, главным образом — карбонат кальция. Таким образом, панцирь ракообразных построен из трех основных элементов — хитина (жесткой внешней оболочки), белка, минеральных сединений и некоторого количества липидов и пигментов, которые придают ему необходимую прочность и свойства живой ткани. Химический состав панциря зависит от вида ракообразного и изменяется в зависимости от стадии развития организма. У ракообразных сразу после линьки панцирь мягкий, эластичный и состоит лишь из хитин-белкового комплекса. Со временем панцирь минерализуется, в основном, карбонатом кальция, и его структура становится прочной. Промышленным сырьем при технологическом получении хитина обычно являются панцири промысловых ракообразных. Для организации достаточно крупного производства хитина и хитозана из панцирей ракообразных необходим массовый и постоянный источник панцирьсодержащего сырья (ПСС). К таким источникам в России относятся промысловые запасы камчатских крабов и крабов-стригунов на Дальнем Востоке, скопления некоторых видов креветок в северных и дальневосточных морях, большие популяции рачка-бокоплава (гаммаруса) в озерах Южного Урала и Западной Сибири, а также массовые скопления рачков Euphausia superba Dana или антарктического криля, общая биомасса которого составляет более 2 млрд тонн, что позволяет добывать до 15 млн тонн ежегодно. В качестве сырья для получения хитина и хитозана в Японии и Китае используются ПСС от переработки крабов и креветок, а в США — ПСС крабов и омаров. Количество подобных отходов может составлять до 70- 80% от общей массы выловленных ракообразных, что создает устойчивую сырьевую базу для производства хитина и хитозана в этих странах. Сравнительный химический состав различных видов ПСС приведен в таблице 1.1 в приложении А. 2.2 ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ СХЕМУ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ХИТИНА И ХИТОЗАНА Панцирь ракообразных построен из трех основных элементов: хитина, играющего роль арматуры, белка и минеральной части, придающей панцирю необходимую прочность. Макроэлементный состав минеральной части панциря ракообразных представлен кальцием, магнием, фосфором, натрием, железом, цинком, хромом. В числе микроэлементов обнаружены свинец, кадмий, никель, кобальт, медь, калий, марганец, титан, ванадий, алюминий, кремний. Содержание липидов в панцире колеблется от 9 до 10,8 %, азотистых веществ — 7,8 %. Хитин как нерастворимый полимер не поддается выделению из панциря напрямую. Для его получения необходимо последовательно разделить белковую и минеральную составляющие панциря, т. е. перевести их в растворимое состояние и удалить. Существует достаточно много методов получения хитина, которые можно разделить на две основные группы: получение хитина на основе химической обработки (кислотами, щелочами, комплексонами и др.); получение хитина путем ферментной обработки. Большинство методов, в том числе используемые в нашей стране, основаны на двухстадийной очистке хитина от белка и минеральных веществ — депротеинировании и деминерализации. Некоторые методы предусматривают также отделение липидов и пигментов. Базовым способом получения хитина является химический, заключающийся в проведении депротеинирования, деминерализации и депигментации с помощью химических реагентов — кислот, щелочей и др. Существуют различные модификации этого способа, включающие биотехнологические и другие методы обработки. Параметры процессов депротеинирования и деминерализации весьма разнообразны: концентрация раствора гидроксида натрия колеблется от 1,5 до 10 %, температура — от 70 до 105 °С, продолжительность процесса — от 0,5 до 2ч и более; концентрация раствора соляной кислоты — 0,5...4%; процесс деминерализации осуществляют преимущественно при комнатной температуре в течение 0,5...1,5 ч. Значительная жесткость условий обработки приводит к деградации цепи хитина и/или частичному дезацетилированию. Кроме того, в ходе этого процесса белок подвергается значительному гидролизу, часть аминокислот претерпевает химические превращения, иногда с образованием токсичных веществ, из-за чего выделяемый белковый продукт теряет питательную ценность и становится небезопасным для использования в качестве кормовой добавки. (Блок-схема процесса получения хитина приложение А рисунок 1). Применение растворов кислот высокой концентрации может сопровождаться частичной деструкцией и дезацетилированием хитина и, следовательно, снижением вязкостных характеристик хитозана. Имеются данные о том, что присутствие в хитине ионов кальция повышает вязкость хитозана из-за увеличения термостабильности хитина. Установлено, что чем мягче условия обработки, тем более высокомолекулярный хитин может быть получен. Однако слишком мягкие условия могут привести к неполной деминерализации. Обработка исходного материала в агрессивных средах требует специального, стойкого к коррозии оборудования, создания специализированных участков хранения и приготовления растворов кислот и щелочей. Кроме того, белок, выделенный из щелочных и кислотных гидролизатов, содержит значительное количество соли, что ограничивает область его применения и снижает питательную ценность. В зависимости от вида и свойств сырья, требуемого качества хитина число операций депротеинирования и деминерализации и их последовательность могут быть различными. Однократная обработка щелочью и кислотой применима для мягкого, тонкого панциря (криля). Двукратная обработка щелочью и кислотой необходима для получения хитина с минимальным содержанием белка и минеральных веществ. В отдельных случаях (для панциря краба) предпочтительной является трехкратная обработка панциря щелочью и кислотой, гарантирующая получение хитина, полностью лишенного остатков белка и без примесей золы. Порядок чередования операций деминерализации и депротеи- нирования существенно влияет на свойства хитина и в последующем хитозана. Способы получения хитина на основе применения биотехнологических процессов позволяют достичь более мягких условий обработки панцирьсодержащего сырья. Становится возможным совмещение некоторых операций технологического процесса, снижается агрессивность реакционной среды, и, следовательно, уменьшаются затраты на оборудование. Получаемые при этом белковые продукты практически не содержат хлорида натрия, присутствие которого неизбежно в случае применения кислотнощелочных методов. Наиболее простым из этой группы способов получения хитина является использование активного ферментного комплекса самого ракообразного. Во ВНИРО были проведены исследования автопротеолиза криля в условиях промысла. Процесс осуществляли в реакторе при постоянном перемешивании измельченного криля при температуре 50 °С. Степень перехода белка в жидкую фазу при длительности процесса 5 ч составляла 68 %. Увеличение продолжительности процесса до 7 ч увеличивало содержание жидкой фазы до 79 %. Вместе с тем данный способ не обеспечивает полного удаления белка из хитина, и требуется дополнительная операция по его де- протеинированию. Кроме того, имеются сведения о присутствии в ферментном комплексе криля активных хитиназ, воздействие которых на хитин приводит к снижению его молекулярной массы. Известны и другие способы обработки панциря комплексом протеолитических ферментов. Вместе с тем ферментативные способы получения хитина обладают одним общим недостатком: неполным удалением белкового компонента панциря, что может отрицательно сказаться как на качестве самого хитина, так и на характеристиках получаемого из него хитозана СВОЙСТВА ХИТИНА И ХИТОЗАНА Одним из важнейших свойств полимеров, определяющих во многих случаях возможность их переработки и применения, является их растворимость. Именно на использовании растворов ближайшего аналога хитина – целлюлозы основана технология получения волокон, пленок, лаков, загущающих и клеящих композиций. Оценка некоторых свойств растворов полимеров (осмотического давления, вязкости, рассеяния света) позволяет определить такие важные характеристики, как молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение (соотношение количества макромолекул с различной молекулярной массой). Однако из-за сравнительно высокой жесткости полимерной цепи, значительной интенсивности межмолекулярного взаимодействия хитин растворяется в сравнительно ограниченном количестве растворителей – концентрированных минеральных кислотах (соляной, серной, азотной, фосфорной), безводной муравьиной кислоте, гексафторизопропаноле и гексафторацетоне, растворах хлорида лития в диметилацетамиде. В большинстве этих растворителей происходит деструкция полимера, что затрудняет определение истинного значения молекулярной массы и характера молекулярно-массового распределения. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что выделенный, в частности, из панцирей ракообразных хитин представляет собой высокомолекулярный полимер с молекулярной массой 2–2,5 млн Д (степень полимеризации1 10–14 тыс.). В отличие от хитина получаемый при его дезацетилировании хитозан растворяется даже в разбавленных органических кислотах, например в водном растворе уксусной кислоты. При этом для растворов хитозана, как и других полимеров, характерна существенная зависимость вязкости от концентрации (при увеличении концентрации раствора хитозана в 1–2%-ном растворе уксусной кислоты с 2 до 4% вязкость раствора увеличивается примерно в 30 раз). Появление в каждом элементарном звене макромолекулы свободной аминогруппы придает хитозану свойства полиэлектролита, одним из которых является характерный для растворов полиэлектролитов эффект полиэлектролитного набухания – аномального повышения вязкости разбавленных растворов (с концентрацией ниже 1 г/л) при уменьшении концентрации полимера. Этот эффект является следствием увеличения эффективного объема и асимметрии макромолекул в растворе в результате отталкивания одноименных зарядов, возникающих при протонировании аминогрупп. Определение значений молекулярной массы хитозана (как по данным светорассеяния, так и вискозиметрии) дает в зависимости от источника и способа выделения величины 0,5–8 ⋅ 105 Д. Существенное различие молекулярных масс хитина и хитозана свидетельствует о протекании на стадии дезацетилирования заметной деструкции полимерной цепи. Химические превращения хитина и хитозана на протяжении более полувека вызывают большой интерес, в основе которого близость функционального состава этих полисахаридов и целлюлозы (наличие в элементарном звене гидроксильных групп), а в случае хитозана также и аминогрупп и возможность получения производных, аналогичных синтезированным ранее соответствующим производным целлюлозы. Среди них разнообразные простые эфиры (метиловые, этиловые, карбоксиметиловые, гидроксиэтиловые) и сложные эфиры неорганических (нитраты, сульфаты, ксантогенаты) и органических (ацетаты) кислот. Наличие в молекуле хитозана свободных аминогрупп и возможность их защиты в условиях проведения реакции явились предпосылкой для синтеза избирательно замещенных производных. Образование при взаимодействии аминогрупп хитозана с альдегидом основания Шиффа, связь в котором устойчива в щелочной среде, обеспечивает возможность o-алкилирования, после проведения которого защитную группировку легко удаляют при действии кислоты. Продукт деструкции не содержит, таким образом, алкильных групп у атома азота элементарного звена. Этот принцип предварительной защиты функциональных групп, которые не должны участвовать в реакции, был использован и для синтеза избирательно N-замещенных производных хитозана, в частности N-карбоксиметилхитозана. ПРИМЕНЕНИЕ ХИТИНА, ХИТОЗАНА И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ Как уже указывалось, хитин и хитозан по своему строению близки к целлюлозе – одному из основных волокнообразующих природных полимеров. Естественно поэтому, что, как и целлюлоза, эти полимеры и их производные обладают волокно- и пленкообразующими свойствами. Благодаря биосовместимости с тканями человека, низкой токсичности, способности усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, биодеградируемости такие материалы представляют особый интерес для медицины. При лечении гнойных и ожоговых ран широкое применение приобрели ферменты, эффективность использования которых может быть повышена за счет их включения в структуру волокон и губок. Такие полимеры, как хитин, хитозан, карбоксиметилхитин, благодаря широкому набору функциональных групп обеспечивают возможность образования между полимером-носителем и ферментом связей различной прочности, что создает предпосылки для регулирования активности и стабильности фермента, скорости его диффузии в рану. В медицине для лечения и профилактики тромбозов используется природный антикоагулянт крови – гепарин, по химическому строению являющийся смешанным полисахаридом. Наиболее близкий его структурный аналог – сульфат хитозана также обладает антикоагулянтной активностью, возрастающей при увеличении степени сульфатирования. Возможность реализации синергического эффекта (усиления активности гепарина при введении добавок сульфата хитозана) делает это соединение перспективным для создания лекарственных препаратов антикоагулянтного и антисклеротического действия. N- и О-сульфатированные производные частично дезацетилированного карбоксиметилхитина не только препятствуют свертыванию крови благодаря селективной адсорбции антитромбина, но и резко уменьшают интенсивность деления раковых клеток. Еще одна возможность использования хитина, хитозана и их производных (карбоксиметилхитина, карбоксиметилхитозана, сукцинилхитозана) – создание биодеградируемых носителей фармацевтических препаратов (антибиотиков, антивирусных, противоопухолевых и антиаллергенных препаратов) в виде пленок (мембран). Применение таких пленок создает условия для выделения лекарственных средств, обеспечивая эффект пролонгирования их действия. Образование комплексов полимерными лигандами с различными металлами находит все более широкое применение в аналитической химии, хроматографии, биотехнологических процессах. Полимерные комплексообразователи, в том числе хитин, хитозан и их производные, например карбоксиметиловые эфиры, могут рассматриваться как реальная альтернатива традиционным методам очистки сточных вод промышленных предприятий от соединений металлов, используемых для нанесения защитных покрытий (никель, хром, цинк), а также от таких металлов, как ртуть и кадмий, способных аккумулироваться живыми организмами. Наличие электронодонорных амино- и гидроксильных групп, широкие возможности введения различных ионогенных групп кислотного и основного характера делают производные хитина и хитозана весьма перспективными для использования в хроматографии при разделении и очистке биологически активных соединений (нуклеиновых кислот и продуктов их гидролиза, стероидов, аминокислот). В фотографических процессах, связанных с быстрым проявлением изображения, используют такие важные характеристики хитозана, как его пленкообразующие свойства, поведение в системах, содержащих желатин и комплексы серебра, обеспечивающее отсутствие поперечной (в слоях пленки) диффузии красителя, оптические характеристики полимера. Весьма перспективно использование хитозана в бумажной промышленности: благодаря большей прочности при водных обработках ионных связей, образующихся при нанесении хитозана на целлюлозное волокно при формировании бумаги, по сравнению с существующими в обычной бумаге водородными связями заметно возрастает прочность бумажного листа, особенно в мокром состоянии. При этом одновременно улучшаются и другие важные свойства (сопротивление продавливанию, излому, стабильность изображения). В последнее время все большее внимание уделяется исследованиям процессов образования, изучению свойств и возможностей практического применения особого класса продуктов химических превращений полимеров – интерполимерных комплексов. Эти соединения, образующиеся при взаимодействии макромолекул противоположно заряженных полиэлектролитов, характеризуются высокой гидрофильностью, что позволяет использовать их в качестве эффективных флокулянтов, структурообразователей, а в виде пленок в качестве полупроницаемых мембран и покрытий, в том числе в медицине. Использование в качестве компонента интерполимерного комплекса сравнительно жесткоцепного хитозана, способного благодаря наличию ионогенных групп к образованию межмолекулярных ион-ионных и иондипольных связей, обеспечивает возможность улучшения физико-механических свойств получаемых пленок. Одним из направлений успешного использования таких пленок могут быть первапорационные1 процессы разделения водно-органических смесей. Так, пленка на основе интерполимерного комплекса хитозан – полиакриловая кислота в процессе разделения методом первапорации водно-изопропанольной смеси не уступает по транспортным характеристикам пленкам из традиционных материалов (ацетат целлюлозы, поливиниловый спирт), заметно превосходя их по селективности. Применение хитозана в качестве ДНК-вектора: Благодаря поликатионной природе хитозанспособен образовывать с отрицательно заряженными полимерами, такими как нуклеиновые кислоты, полиэлектролитные комплексы. Поэтому хитозан может быть использован для конструирования ДНК-содержащих носителей с целью получения генетически модифицированных клеток. Трансфекцияэукариотических клеток является мощным инструментом целенаправленного изменения генома и одновременно одним из самых больших достижений молекулярной и клеточной биологии последнего времени, открывающий неограниченные возможности в медицине в виде генной терапии. В настоящее время развиваются несколько подходов к созданию эффективных инструментов доставки ДНК в клетку. Среди них использование катионных липосом, а также адено- и ретровирусов. В качестве перспективного инструмента для доставки ДНК в клетку рассматриваются полимерные системы, в том числе наночастицы и нанокапсулы Для трансфекции клеток плазмидной ДНК используются рН-чувствительные липосомы. В кислых условиях они способны связывать генетический материал и проникать в клетку, а при изменении рН — сливаться с мембраной эндосомы, освобождая ДНК. Однако их использование имеет ряд недостатков, таких как высокая стоимость, иммуногенность, а также возможность агрегации липосом. Использование вирусов в качестве носителей ДНК обеспечивают хорошую эффективность трансфекции. И хотя большинство медицинских протоколов в настоящее время базируется именно на вирусных ДНК-векторах, использование таких систем ограничено по некоторым причинам: возможны их онкогенные свойства; ограниченное количество генетического материала, которое можно доставить с помощью вируса; необходимостью соблюдения правил общей биобезопасности при производстве вирусов. Хитозан является перспективным кандидатом для конструирования носителей ДНК-векторов, поскольку созданные на его основе системы доставки с внедренными в них ДНК-векторами имеют несколько преимуществ перед всеми рассмотренными выше: на их поверхности можно ковалентно присоединить лиганды, которые обеспечивают высокоспецифическое взаимодействие с клеточными рецепторами; можно ввести в клетку не одну, а несколько ДНК-плазмид в одной наночастице или нанокапсуле; можно защитить нуклеиновую кислоту от расщепления ферментами; ДНК-плазмиды приобретают компактный вид, что предотвращает их механический разрыв и облегчает проникновение через мембраны клеток; такие наночастицы можно лиофильно высушить и длительно хранить в такой форме без потери активности. Так, использование хитозановыхнаночастиц в комплексе с ДНК γ-интерферона, введенных интраназально мышам, обеспечивало эффективную трансфекцию, что подтверждалось повышением уровня синтеза γ-интерферона в эпителиальных клетках слизистой и в легочных моноцитах. Отмечен протекторный эффект в отношении метахолин-индуцированного бронхоспазма, предотвращалось увеличение количества эозинофилов и клеточная инфильтрация. Профилактическое введение комплекса способствовало повышению уровня продуцировании клетками селезенки γ-интерферона и уменьшению уровня ИЛ-4, ИЛ-5, а также уровня IgE в сыворотке. Показано, что основной мишенью для комплекса являются бронхиальныйэпителиум и макрофаги — два типа клеток, играющие важную роль в развитии астмы и иммуномодуляции. Терапевтическое использование комплекса на мышах, сенсибилизированных овальбумином, предотвращало воспалительные процессы в слизистой бронхов через несколько часов после сенсибилизации аллергеном, и индуцировало апоптотические процессы у столбчатых клеток слизистой. ВЫВОД Исходя из изложенного выше материала о свойствах гиалуроновой кислоты и хитозана, можно сделать вывод о перспективности и большей безопасности использования этих биополимеров для получения материалов медицинского назначения по сравнению с другими биодеградируемыми полимерами. Биополимер хитозан, может быть использован не только для получения новых материалов медицинского назначения, но и для модификации готовых полимерных изделий, например синтетических шовных нитей с целью повышения их биосовместимости. Гиалуроновая кислота уже более 60 лет используется для получения продуктов для медицины по всему миру. Из-за своей способности к биосовместимости, биоразлагаемости и легко модифицирующейся химической структуры, гиалуроновая кислота широко используется в материалах для адресной доставки лекарственных средств в организме. Эти материалы создаются в таких формах, как пленки, микросферы, липосомы, волокна и гидрогели. Более широкое использование этих биополимеров в медицинской практике требует знания об их взаимодействиях с организмом человека, влияние на окружающую среду. Исследования в этих областях продолжаются. Так же, материалы могут использоваться для электростимуляции тканей, проведении тепла, регулировано воздействовать на области воспаления. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ З.А. Виноградова, О химическом составе беспозвоночных Черного моря и его изменениях, Труды Карадагской биологической станции, 1949, 7, 3-50 И.И. Грезе, Размножение и рост бокоплава Dexamine spinosa (Mont.) в Черном море, Труды Севастопольской биологической станции, 1963, 16, 241-255 С.А. Зернов, К вопросу об изучении жизни Черного моря, Записки Императорской АН, 32, 1 (С. - Петербург) А. Имшенецкий, Разложение хитина микроорганизмами, Природа, 1933, 3-4, 144-145 Б.Л. Исаченко, О разложении хитина микробиологическим путем, Природа, 1939, 2, 97-98 Скрябин К.Г., Вихорева Г.А., Варламов В.П. Хитин и хитозан: Получение, свойства и применениеhttp://window.edu.ru/resource/491/21491/files/0101_051.pdf https://chitosan-fortex.ru/chitin3.html ПРИЛОЖЕНИЕ А Химический состав различных видов панцирьсодержащего сырья (% в пересчете на сухое вещество) Таблица 1.1
|