ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2010, том 52, № 4, с. 567-572
РАСТВОРЫ
УДК 541(64+49):547.995.12
НЕСТЕХИОМЕТРИЧНЫЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ХИТОЗАНА, РАСТВОРИМЫЕ В НЕЙТРАЛЬНЫХ СРЕДАХ
© 2010 г. М. Ю. Горшкова*, И. Ф. Волкова*, В. А. Изумрудов**
*Учреждение Российской академии наук Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН
119991 Москва, Ленинский пр., 29 **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Химический факультет 119991 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 18.05.2009 г. Принята в печать 28.08.2009 г.
Разработана методика приготовления нестехиометричных полиэлектролитных комплексов хитоза-на, растворимых в нейтральной области рН. Смешением сильно кислых растворов хитозана и поли-стиролсульфонатных анионов в неэквимольном заряд-зарядовом соотношении с последующей нейтрализацией образующихся продуктов раствором щелочи впервые получены комплексы хитоза-на, растворимые в нейтральных средах и отвечающие критериям поведения водорастворимых не-стехиометричных полиэлектролитных комплексов. Так, область существования растворимых комплексов сужалась при уменьшении длины лиофилизирующего полианиона и вырождалась при использовании олигомерных анионов, а критическая концентрация соли, вызывающая фазовое разделение, уменьшалась с ростом относительного содержания блокирующего хитозана в смеси и определялась соотношением длины цепей полимерных компонентов.
ВВЕДЕНИЕ
Биосовместимость, биодеградируемость, биологическая активность и нетоксичность хитозана делают этот природный полисахарид особенно привлекательным для фармакологии и медицины [1, 2]. Бактерицидные, ранозаживляющие и сорб-ционные свойства лежат в основе использования хитозановых пленок для заживления ран и ожогов [3]. Применение хитозана улучшает биосовместимость имплантантов и регенерацию костной ткани [4], усиливает всасывание лекарств из кишечника и их транспорт через кожу и слизистые оболочки [5]. При разработке новых лекарственных форм хитозан включают в состав таблеток, гелей и микрокапсулированных систем доставки лекарственных средств [6—8]. Образцы хитозана с невысокой степенью полимеризации используют в качестве носителей для доставки генетического материала в ядра клеток [9—12]. Производство хитозана не связано с большими затратами, оно экологически безопасно, а биоресурсы возобновляемы.
В кислых средах макромолекулы хитозана несут положительный заряд, они растворимы в воде и способны взаимодействовать с синтетическими и природными полианионами с образованием полиэлектролитных комплексов. Комплексооб-разование хитозана достаточно подробно описано в литературе (см., например, обзоры [13—15]).
E-mail: mgor@ips.ac.ru (Горшкова Марина Юрьевна).
Однако в работах, цитируемых в указанных обзорах, основное внимание уделяется изучению биологических свойств комплексов и материалов на их основе, тогда как молекулярные характеристики самих комплексов остаются вне поля зрения. Информацию о строении, структуре и составе комплексов можно получить с помощью методов, развитых для растворов полимеров, которые успешно применяются для исследования водорастворимых нестехиометричных полиэлектролитных комплексов (НПЭК) [16]. Однако подавляющее большинство изученных комплексов хи-тозана с синтетическими и природными полианионами не растворимы в воде [17—22]. Формированию растворимых НПЭК препятствуют неоднородность образцов хитозана, выделяемых из природного сырья, сравнительно узкая область рН, где хитозан растворим, особенности структуры этого катионного полисахарида и его склонность к образованию водородных связей, способствующих возникновению макромолеку-лярных ассоциатов.
Недавно [23] нам удалось подобрать условия для получения растворимых нестехиометричных комплексов хитозана в кислых средах, что делает принципиально возможным их исследование высокоинформативными методами. Однако необходимость проведения опытов в сильно кислых растворах существенно ограничивает изучение и практическое применение подобных комплексов.
В данной работе сделан следующий важный шаг на пути создания водорастворимых НПЭК хитозана. Разработанный нами подход позволяет получать комплексы, растворимые в нейтральных и слабо щелочных средах, что может составить основу для приготовления биосовместимых и биодеградируемых комплексов, пригодных для использования при физиологических значениях рН и ионной силы раствора.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы
Низкомолекулярную соль KCl, янтарную кислоту квалификации ч.д.а. и гидроокись тетраме-тиламмония ("Sigma", США) использовали без дополнительной очистки. Готовили растворы буферов HEPES ("Sigma", США), рН 7.2 и TRIS ("Sigma", США), рН 8.0, 9.0 и 10.0, а также янтар-нокислый буфер, рН 4.0 и 5.0. Для приготовления растворов использовали дважды дистиллированную воду, дополнительно очищенную на системе Milli-Q ("Millipore", США). Хитозан (Мц = 1.4 х х 104, степень полимеризации = 90) получали кислотным гидролизом [24] препарата хитозана, произведенного закрытым акционерным обществом "Биопрогресс" (со степенью ацетилирова-ния 10%, массовой долей золя 5%). Препарат предварительно очищали по методике [25]. Характеристическую вязкость хитозана после кислотного гидролиза определяли в 2%-ном растворе уксусной кислоты в присутствии 0.2 М ацетата натрия [26]. Полианионами служили фракции полистиролсульфоната натрия (ПСС) фирмы "DuPont" (Франция—США) со степенью полимеризации 9, 21, 39, 87, 170, 360 и 1710, которые будем обозначать соответственно ПСС9, ПСС21, ПСС39, ПСС87, ПСС170, ПСС360 и ПСС1710.
Методы
Растворением навесок хитозана в 0.05 N HCl и ПСС в воде готовили растворы полимеров, которые затем использовали для приготовления полиэлектролитных комплексов.
Водорастворимые комплексы получали титрованием разбавленного раствора ПСС (7 х 10-4 ос-ново-моль/л) относительно концентрированным раствором хитозана (1.3 х 10-3 осново-моль/л). Опыты проводили при постоянном перемешивании с интервалом 10 мин между введениями порций титранта. Готовили прозрачные смеси различного состава Z = [хитозан] : [ПСС], выраженного в терминах отношения мольных концентраций аминогрупп хитозана и сульфо-натных групп ПСС. Концентрация сульфонатных групп в смесях была одинаковой и равной 4.7 х х 10-4 моль/л.
Границы областей фазового разделения в водно-солевых растворах смесей полимерных компонентов устанавливали титрованием прозрачных растворов смесей выбранного состава Z раствором 4 М KCl. Определяли концентрацию соли [KCl]*, соответствующую началу фазового разделения (точка помутнения). Опыты проводили при постоянном перемешивании раствора с интервалом 5 мин между введениями порций тит-ранта.
Для потенциометрических измерений использовали рН-метр "Beckman Ф-70" с комбинированным электродом. К солянокислым растворам хитозана и смеси хитозан—ПСС (начальная концентрация хитозана 5 х 10-3 осново-моль/л) малыми порциями добавляли 0.01 М раствор щелочи с интервалом 5 мин при постоянном перемешивании и температуре 20°С.
Турбидиметрическое титрование осуществляли на спектрофотометре "Specord M-40" ("Carl Zeiss", Jena, Германия) последовательным добавлением концентрированного раствора титранта (поликатиона или хлористого калия) в стандартную кювету с раствором образца. Измерения проводили при постоянном перемешивании и комнатной температуре, фиксируя оптическую плотность при длине волны 450 нм, при которой ни один из полимерных компонентов не поглощал свет. Прозрачными считали смеси, оптическая плотность которых не превышала 0.02.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Особенности структуры хитозана, молекулярная полидисперсность образцов, их композиционная неоднородность, рН-зависимая растворимость и склонность к образованию внутри- и межмолекулярных водородных связей предопределяют сложность и неоднозначность поведения этого полимера в водных средах. Чтобы минимизировать осложняющее действие указанных факторов, в работе использовали образец хитозана с относительно небольшой средней ММ и низкой степенью ацетилирования, обеспечивающей присутствие первичных аминогрупп практически в каждом звене. Комплексообразование изучали в смесях разбавленных растворов хитозана и натриевой соли полистиросульфокислоты, полностью ионизованной во всем диапазоне рН.
Водорастворимые НПЭК как продукты незавершенной интерполиэлектролитной реакции
Растворимые НПЭК хитозана были получены титрованием раствора ПСС-аниона раствором хитозана в сильно кислых средах, когда хитозан практически полностью протонирован, а вероятность образования водородных связей минимальна [23]. Попытки приготовить таким же способом
-'кр
рН
Рис. 1. Зависимость состава смеси Zкр, соответствующего началу фазового разделения, от рН раствора. [ПСС360] = 7 х 10-4 осново-моль/л; 0.02 М буфер. Заштрихованная область отвечает нерастворимым комплексам.
рН 10
6 -
1.0
а
Рис. 2. Кривые потенциометрического титрования хитозана (1) и смеси хитозана и ПСС360 состава
Z = 1 (2). [Хитозан] = 5 х 10-3 осново-моль/л, а — степень ионизации поликатиона.
4
8
НПЭК в нейтральных средах не привели к желаемому результату. По мере увеличения рН критический состав смеси Zкр, соответствующий началу фазового разделения, существенно уменьшался (рис. 1, левая ветвь кривой). Величину Zкр определяли из кривых турбидиметрического титрования раствора ПСС360 в буфере с заданным значением рН раствором хитозана (рН 5). Величина Zкр снижалась от 0.3 практически до нуля при возрастании рН от 2.4 до 5.0, т.е. получить растворимый НПЭК непосредственным смешением растворов компонентов в слабо кислых средах не представляется возможным. Хорошо известно, что при уменьшении кислотности среды происходит де-протонирование аминогрупп полисахарида. Судя по результатам потенциометрического титрования раствора хитозана (рис. 2, кривая 1), степень депротонирования в указанном интервале рН составляет 15—20%. Основываясь на этих данных, можно было ожидать противоположного эффекта, т.е. повышения Zкv, поскольку с уменьшением числа заряженных протонированных групп блокирующего поликатиона эффективность лиофи-лизирующего действия ПС
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.