Введение к работе
Актуальность темы. Разработка биологически активных полимерных систем с заданными свойствами имеет большое значение для создания новых материалов, предназначенных для применения в медицине, биотехнологии, экологии и других областях. Одним из наиболее перспективных полимеров для создания таких материалов является биосовместимый и биодеградируемый аминополисахарид хитозан. В отличие от других доступных полисахаридов элементарное звено хитозана содержит аминогруппу, которая обладает большей реакционной способностью по сравнению с гидроксильными группами, поэтому хитозан может быть легко модифицирован с целью придания различных свойств.
В последние десятилетия все возрастающий интерес вызывают полимерные гидрогели, на основе которых разрабатываются материалы различной физической формы и назначения (биосорбенты, матрицы для выращивания клеток, носители для иммобилизации ферментов, системы с контролируемым выделением лекарственных соединений, раневые покрытия). Ковалентное сшивание хитозана бифункциональными реагентами приводит к формированию непрерывной сетки геля, обладающей прочностью и в то же время обеспечивающей свободную диффузию воды. Наиболее эффективным сшивающим реагентом является глутаровый альдегид (ГА). В процессе его взаимодействия с хитозаном происходит не только сшивка полисахаридных цепей, но также и альдольно-кротоновая конденсация ГА, приводящая к образованию токсичных продуктов нерегулярного строения. Это ограничивает использование системы хитозан - ГА в биомедицинских целях. Актуальным является поиск новых сшивающих реагентов, способных, подобно ГА, эффективно реагировать с хитозаном, но не образующих при этом олигомерных продуктов. В качестве таких соединений могут быть использованы окисленные нуклеотиды, являющиеся по химическому строению производными 3-оксаглутарового альдегида. Наличие заместителей в 2,4-положениях препятствуют кротоновой конденсации. Такие соединения могут быть легко получены периодатным окислением нуклеозидов и нуклеотидов. Выполняя в живых организмах важную роль структурных единиц носителей генетической информации (ДНК и РНК), нуклеотиды и нуклеозиды имеют природное происхождение и содержат несколько функциональных групп, способных связывать различные соединения.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями исследований кафедры аналитической, физической и коллоидной химии МГТУ им. А.Н. Косыгина, в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009–2010 гг.) (проект № 2.1.1/2859), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы» (Госконтракт № 16.740.11.0059), гранта РФФИ 08-04-12065-офи.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось научное обоснование использования диальдегидных производных нуклеотидов и нуклеозидов: уридин-5'-фосфата (oUMP), аденозин-5'-фосфата (оАМР) и уридина (oUrd) в процессах получения биосовместимых гидрогелей хитозана.
Для достижения поставленной цели были определены основные задачи:
- установить особенности гелеобразования в растворах хитозана в присутствии диальдегидов оАМР и oUMP по сравнению с ГА и oUrd;
- установить закономерности и механизм сшивания хитозана окисленными производными нуклеотидов и нуклеозидов;
- на основе установленных закономерностей оптимизировать условия получения полимерных материалов различной физической формы (гидрогелей, пленок, гранул);
- изучить возможность использования предложенных сшивающих реагентов для получения на основе хитозана биосорбентов и носителей для иммобилизации ферментов.
Научная новизна. Установлены особенности гелеобразования в растворах хитозана в присутствии различных диальдегидов:
- показано, что скорость гелеобразования в растворах хитозана в присутствии окисленных производных нуклеотидов значительно выше, чем при использовании нуклеозидов, что обусловлено наличием в их составе фосфатной группировки, при этом строение гетероциклического основания в молекуле диальдегидного производного основания не влияет на кинетику гелеобразования;
- установлено, что меньшая скорость роста вязкости раствора хитозана в присутствии oUrd обусловлена существенно более низким по сравнению с ГА содержанием свободных (дегидратированных форм) альдегидных групп, определяющем скорость сшивки хитозана.
- предложен механизм сшивки хитозана диальдегидными производными нуклеотидов, лежащий в основе процесса гелеобразования, включающий ионные взаимодействия фосфатных групп с протонированными аминогруппами хитозана, стерически облегчающие реакцию образования альдиминных связей, с последующим отщеплением фосфатной группы, стабилизирующим альдиминную связь; показано, что хитозан ускоряет рН-зависимый процесс -элиминирования фосфатной группы.
Установлено, что в результате реализации многоточечных межмолекулярных контактов в процессе испарения растворителя не растворимые в воде хитозановые пленки могут быть получены при соотношении oUrd/NH2 в 4-8 раз меньшем, чем при получении гидрогелей.
Практическая значимость. Предложены сшивающие реагенты для химической модификации хитозана - диальдегидные производные нуклеотидов, использование которых позволило совместить процесс гелеобразования с функционализацией гидрогеля, что расширяет возможности создания новых материалов на основе хитозана. Показана эффективность использования функционализованных гидрогелей хитозана в качестве носителей для иммобилизации или систем с контролируемым выделением биологически активных белков, а также биосорбентов для удаления ионов меди из водных сред.
Установлено, что увеличение рН раствора хитозана позволяет не только увеличить число депротонированных аминогрупп, но и снизить скорость кислотного гидролиза хитозана.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах: 8 статьях и тезисах докладов, в том числе, 2 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК. Получен патент РФ.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации обсуждались и докладывались на: XV и XVII Всероссийских Конференциях «Структура и динамика молекулярных систем» (Яльчик, 2008, 2010); 9th International Conference of The European Chitin Society (Venice, Italy, May, 2009); ХIX International Round Table «Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids» (Lyon, France, 2010), Пятой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры – 2010» (Москва, 2010); Десятой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Нижний Новгород, 2010).
Личный вклад соискателя заключается в проведении анализа литературных данных по теме диссертации, определении совместно с руководителем задач и путей их решения, выполнении основной части эксперимента по изучению процессов сшивки хитозана и гелеобразования в его растворах, получению сорбентов и носителей для иммобилизации ферментов, в обобщении полученных результатов и подготовке публикаций по работе. Подготовлены образцы для анализа и обсуждены результаты ЯМР-спектроскопии с к.х.н. Новиковым В.В. (ИНЭОС им. В.А.Несмеянова РАН) и проф. д.х.н. Михайловым С.Н. (ИМБ им.В.А.Энгельгарда РАН), ИК-спектроскопии с к.х.н. Владимировым Л.В. (ИХФ им. Н.Н.Семенова РАН).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, методической части, выводов, списка цитируемой литературы из 121 ссылки. Работа содержит 10 таблиц и 53 рисунка.
Содержание работы. Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы и указаны ее цели и задачи. В литературном обзоре проанализированы основные методы получения полимерных материалов на основе хитозана и сшивающих реагентов и механизмы гелеобразования в растворах хитозана. В методическом разделе дана характеристика используемых реагентов, описаны методы исследования, включая фотометрические методы: УФ-, ИК-спектроскопию, ЯМР-спектроскопию, электронную микроскопию, титриметрический и реологический методы и методы математической обработки результатов.
