ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 5, с. 339-349
== ОБЗОР =
УДК 547.995.12+621.384.5
МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ХИТОЗАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ХИМИИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ © 2014 г. Т. C. Демина, А. Б. Гильман, Т. А. Акопова, А. Н. Зеленецкий
Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН 117393, Москва, ул. Профсоюзная, 70 E-mail: plasma@ispm.ru Поступила в редакцию 16.01.2014 г. В окончательном виде 18.03.2014 г.
Проведен обзор литературы по модифицированию природного полимера — хитозана методами химии высоких энергий: под воздействием низкотемпературной плазмы, электронных пучков, высокоэнергетических ионов и у-облучения. Описаны основные методики обработки хитозана и установки, используемые в этих процессах. Рассмотрены применяемые физико-химические методы исследования и изменения химической структуры и свойств модифицированного хитозана. Представлены данные, свидетельствующие о возможности использования модифицированного хи-тозана в медицине и биотехнологии.
DOI: 10.7868/S0023119714050068
Модифицирование биополимеров методами химии высоких энергий — одно из наиболее динамично развивающихся направлений исследований, так как позволяет быстро и в широких пределах варьировать свойства поверхности при сохранении исходных свойств в объеме материала [1, 2]. Возможность направленно изменять морфологию, химическую структуру и другие характеристики поверхности представляет особый интерес при модифицировании материалов для применения в медицине и биотехнологиях [3—9]. Природный полисахарид хитозан — биосовместимый и способный к биодеградации полимер, благодаря наличию в его структуре первичных аминогрупп обладающий ценными биохимическими свойствами: биоадгезивностью, бактерицидным эффектом по отношению ко многим видам бактерий, способностью поддерживать процессы хон-дрогенеза и заживления ран и др. Однако из-за широкого диапазона условий обработки и сложной химической структуры полимера информация носит неполный характер. В настоящем обзоре литературы суммированы результаты исследований по обработке хитозана методами химии высоких энергий и отражены основные направления их развития в данной области.
Основная часть работ связана с применением хитозана в медицине и биотехнологиях, в ряде публикаций описано использование различных видов обработки для получения низкомолекулярного хитозана [10—15], стабилизированных в матрице хитозана наночастиц золота [16, 17], для увеличения сорбционной способности полимера по отношению к загрязняющим веществам [18] и из-
менения селективности мембран [19]. Важным направлением представляется модифицирование в плазме хитозансодержащих многокомпонентных систем [20—22]. Существует ряд работ, посвященных иммобилизации хитозана на предварительно обработанной в плазме поверхности различных синтетических полимеров, однако в данном обзоре последнее направление не рассматривается.
ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА, СВОЙСТВА
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ХИТОЗАНА
Хитин и хитозан (продукт его дезацетилирова-ния) относятся к полисахаридам, одной из групп биологических макромолекул. По распространенности в природе хитин не уступает целлюлозе и выполняет структурные и разнообразные биологические функции в тканях живых организмов [23]. Его источниками в природных условиях являются панцири ракообразных, остовы моллюсков и насекомых, некоторые виды грибов (содержание хитина 10—20%). Естественное воспроизводство хитина только в Мировом океане составляет около 2—3 млрд тонн в год [24]. Хитозан в природе практически не встречается, его получают химическим путем. Исследования структуры и свойств хитина и хитозана суммированы в ряде работ, уделено внимание областям применения этих биополимеров, обладающих по оценкам экспертов большим промышленным потенциалом [25—29]. Производство хитозана в 2010 г. на мировом рынке оценивалось в 13.7 тыс. тонн с ростом производства к 2015 г.
(a)
O
OH
-O
HO
CH
гЧ
O
(б)
O
NHI
(в)
O
Рис. 1. Структурные формулы (поли 1 ^ 4) звеньев, входящих в состав хитозана и хитина: 2-амино-2-дезокси-Р^-глюкоза (а), 2-ацетамидо-2-дезокси-Р^-глюкоза (б) и Р^-глюкоза (в).
до 21.4 тыс. тонн [29]. Отмечена важность хитозана и его производных для медицины.
Основное структурное звено — 2-амино-2-дез-окси-Р^-глюкоза (глюкозамин) — соединено в макромолекуле хитозана 1,4-Р-гликозидной (аце-тальной) связью (рис. 1а). Наряду с глюкозоамин-ными звеньями в состав полимерной цепи могут входить звенья N-ацетилглюкозамина (хитин) (рис. 1б) и около 10% 2-дезокси-Р^-глюкозы (рис. 1в). Полимер, содержащий не менее 70% основных (дезацетилированных) звеньев, растворим в одноосновных разбавленных минеральных и органических кислотах и способен к биодеградации в организме под действием неспецифических ферментов, например лизоцима.
Молекулярная масса (ММ) хитина in vivo достигает миллиона и выше, а вследствие деполимеризации при выделении из сырьевых источников снижается в ~2 раза [30]. В зависимости от источников получения хитина и способов его дезацетилирования заметно различаются физико-химические свойства хитозана, в частности его ММ, степень кристалличности, степень полидисперсности макромолекул и содержание в них основных структурных звеньев [31—34]. Эти параметры определяют его сорбционные характеристики, способность к образованию пленок и волокон и другие свойства, поэтому их необходимо учитывать при использовании хитозана [35—37].
Хитозан является природным катионным полиэлектролитом, что определяет его биохимические свойства, такие как бактериостатическая и антивирусная активность [38, 39], высокая сорб-ционная способность по отношению к ионам переходных металлов, жирам, белкам и ферментам [40—42]. Одна из природных функций хитозана — ингибирование радикальных процессов, обусловленное захватом активных радикалов вторичными спиртовыми и свободными аминогруппами и распадом образующихся неактивных радикалов. Способность хитозана к биодеградации in vivo и биоад-гезивность позволяют широко использовать его в качестве разнообразных матриксов для тканевой инженерии [43—46]. Основные области применения хитозана — медицина, косметическая и фар-
мацевтическая промышленность [25, 28, 47], экология, биохимия и биотехнология [48—50], некоторые направления генной инженерии [51, 52], агрохимия и пищевая промышленность [53—55].
ХИМИЧЕСКОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ХИТОЗАНА
Хитозан можно модифицировать химически с проведением О- и/или М-замещения. Направление реакций зависит от условий их проведения. В кислотной среде или без катализаторов протекают, в основном, реакции по аминогруппам полимера. В щелочной среде реакционная способность гидроксильных групп выше. Возможность получения как не избирательно замещенных, так и направленно О- или М-замещенных производных хитозана, позволяет реализовать широкий спектр его химических превращений и получать разнообразные по строению и свойствам материалы, что стимулирует исследования в этом направлении [56, 57]. Химическое модифицирование хи-тозана позволяет улучшать его растворимость в различных средах, повышать механические характеристики изделий на его основе и способствует проявлению новых биологических свойств. Например, частично ацилированные производные хи-тозана растворимы в воде [58], однако, в основном, модифицирование хитозана жирными кислотами с различной длиной алкильной цепи снижает его гидрофильность и влагопроницаемость [59]. Полностью замещенные продукты, в частности, содержащие длинноцепочечные жирные ацильные радикалы у атомов О и М растворимы в органических растворителях [60] и поэтому их применяют для получения волокон [61]. Как О-, так и М-аци-лированные производные хитозана проявляют специфическую биологическую активность и сорбционную способность и часто более эффективны как антибактериальные агенты [62] и селективные сорбенты [63] по сравнению с исходными хитозаном и хитином. Получение простых эфиров — наиболее распространенный метод модифицирования полисахаридов для придания им растворимости в нейтральных водных средах. По
аналогии с карбоксиметиловым эфиром целлюлозы, выпускаемым в промышленном масштабе, получают соответствующие не избирательно замещенные производные хитозана и предлагают для использования в разных областях, благодаря отсутствию токсичности и способности к волокно- и пленкообразованию из нейтральных высоковязких растворов [64, 65]. Распространенным методом модифицирования является прямая со-полимеризация виниловых мономеров с хитоза-ном [66, 67]. Несмотря на использование широкого набора инициирующих систем и мономеров, реакция протекает сложно, а бимолекулярный обрыв приводит к образованию сшитых форм. Тем не менее, сополимеры такого типа показывают высокую активность и селективность в качестве сорбентов. В этом случае радиационное инициирование снимает проблемы очистки от инициатора и позволяет избежать образования значительного количества гомополимеров [68]. В большинстве случаев синтез производных хито-зана осуществляют в гомогенных или гетерогенных условиях с применением растворителей или органических разбавителей [69]. Известны работы по химическому модифицированию хитозана при воздействии давления со сдвигом на твердые реакционные смеси, основанные на активации реагентов за счет образования центров взаимодействия (радикалы, ионы, свободные электроны), которые наблюдают и при высокоэнергетическом радиационном воздействии на полимеры. Подвижность, необходимая для осуществления химических реакций, обеспечивается в этом случае за счет деформационного перемешивания реагентов при их вынужденном пластическом течении [70]. За счет отказа от применения катализаторов, растворителей и разбавителей при таком методе синтеза образующиеся продукты не содержат токсичных компонентов, что является дополнительным преимуществом при получении материалов биомедицинского назначения на основе хитозана.
Наиболее эффективный способ придания хи-тозану растворимости в водной и органической средах, позволяющий при этом сохранить его биохимические свойства, — прививка на цепь-основу полисахарида синтетических полимеров с разли
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.