Введение к работе
Актуальность темы. Известно, что мукополисахариды (гепарин, хондроитинсуль-фат, гиалуроновая кислота) составляют основу большого числа медпрепаратов и биоматериалов Хитин как наиболее распространенный в природе представитель этого класса полисахаридов животного происхождения привлекает особое внимание Хитин второй в мире по промышленному освоению биополимер после целлюлозы Предполагаемый объем мирового производства хитина только из морских организмов по оценкам экспертов составляет 10' тонн в год, что свидетельствует о высокой значимости этой океанской фауны как индустриального источника хитина Мировое промышленное производство хитозана - наиболее изученного производного хитина - составляет несколько тысяч тонн в год
Хитин является частью пищи человека (грибы, дрожжи, сыры) и животных (например, китов), что объясняет наличие в растительном и животном организмах специфических хитинолитических ферментов (хитиназа, лизоцим) Это свидетельствует о том, что он является не чужеродным соединением для живой материи и совместим с ней, что имеет существенное значение для применения этого аминополисахарида и его производных в биоматериаловедении и биотехнологии При этом наибольший интерес для этих областей могут представлять биоактивные производные хитина и хитозана в качестве полимерных биорегуляторов, основным свойством которых является, как известно, способность вызывать контролируемую биотрансформацию или прогнозируемые изменения субстрата в животных и растительных организмах
Уникальный комплекс нативных свойств хитина/хитозана (биосовместимость, биоразложимость и чрезвычайно малая токсичность на фоне высокой биологической и сорбционной активности), а также многообразие практических приложений хитина/хитозана в различных сферах деятельности человека (сельское хозяйство и пищевая индустрия, биотехнология, медицина и косметика) позволяют отнести эти аминополисахариды к немногочисленной группе промышленных экологически безопасных полимерных соединений и в перспективе к потенциально новым биоматериалам Особенностью хитина и хитозана является то, что они с одинаковым успехом могли бы быть полезны и благоприятны или безвредны как для человека, так и для окружающей его среды
В связи с этим особую важность приобретает создание необходимых предпосылок для развития наиболее эффективных способов модификации свойств уже известных биоматериалов, а также разработка на основе хитина/хитозана различных путей синтеза новых типов потенциально широкопрофильных в биоматериаловедении и биотехнологии соединений Важным решением данной задачи может быть разработка подходов и методов получения базисных соединений в виде стандартных промежуточных продуктов реакции (интермедиатов) хитина/хитозана, которые содержали бы как элементы родоначальной структуры, так и новые функциональные группы Благодаря этому может быть осуществлен выход к большому разнообразию продуктов на основе хитина/хитозана, максимально удовлетворяющих потребности людей и не причиняющих вреда окружающей среде
Основной целью работы являлась разработка научно обоснованных подходов и методов синтеза биологически активных производных хитина /хитозана контролируемой структуры путем целенаправленного получения стандартизованных интермедиатов, перспективных для применения в биоматериаловедении Другой целью было изучение связи между отдельными структурными фрагментами и биоспецифическими свойствами полученных соединений
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработаны и обобщены критерии в оценке биофункциональности производных хитина и хитозана, а также обосновывается возможность получения целевых структур с оптимальными биоспецифическими свойствами на основе интермедиатов хитина/хитозана и их производных, образующихся в результате ограниченной региоселективной модификации в цепях полимера
Впервые описаны гомогенные модельные условия для некоторых подходящих регио-селективных реакций модификации хитина/хитозана, позволяющие получать стандартизованные интермедиаты контролируемой структуры
Разработаны оригинальные подходы в полимераналогичных реакциях N-ацилирования, N-деацетилирования, О-карбоксиметилирования и О-сульфатирования хитозана в гомофазном исполнении
Впервые описаны условия структурной трансформации макромолекул в растворах хитозана под влиянием акцепторов водородной связи, способствующих стабилизации гидродинамических и реологических свойств растворов полимера
Определены экспериментально значимые факторы, контролирующие размеры и конформацию частиц хитозана и его полиэлектролитных комплексов в растворах и пленках
Установлены корреляционные зависимости, связывающие характеристическую вязкость и молекулярную массу для определенных структур хитозана, а также его кар-боксиметильных и сернокислых эфиров
Определены условия контролирования молекулярной массы полимер-гомологов хитозана, а также выявлены структурные признаки изменения оптической активности олигомеров хитозана
Впервые показана высокая антивирусная активность частично дезаминированного олигомерного хитозана в отношении фитопатогенов
Найдены основные структурные критерии оценки сульфатированных производных хитозана в качестве высокоэффективных ингибиторов вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), антикоагулянтов и селективных липопротеин-связывающих адсорбентов
Впервые найдены условия получения растворимых форм нестехиометричных полиэлектролитных комплексов гидрохлорида хитозана и декстрансульфата натрия, а также показана возможность контролирования биологических свойств этих поликомплексов путем изменения их состава
Разработаны основные принципы создания фитоактивных комплексов включения на основе хитозана и гормон-стимулирующих соединений
Практическая значимость диссертационной работы.
Разработаны промышленная технология и нормативно-техническая документация процесса получения аминокислотного гидролизата, хитин-белкового комплекса (ХБК) и хитина с использованием ферментных препаратов
Разработаны практические рекомендации по получению и применению гелевых композиционных материалов на основе ХБК, хитозана и альгината натрия для извлечения тяжелых металлов из морской среды и азотнокислотных технологических растворов
Разработана медико-техническая документация на энтеросорбент с иммобилизованным N-сульфосукцинилхитозаном и проведены доклинические испытания по безопасности и избирательной сорбции липопротеинов низкой и очень низкой плотности из крови
Разработаны научно-технологические основы, нормативно-техническая и сертификационная документация на коллоидную форму высокоочищенного хитозана, одобренной Минздравом РФ в качестве биологически активной добавки к пище
Разработаны технологическая, нормативно-техническая и сертификационная документация на агрохимический препарат «Фитохит», зарегистрированный в Госхимко-миссии РФ в качестве регулятора роста и индуктора болезнеустойчивости растений
На защиту выносятся:
концепция биофункционализации или направленного изменения биоспецифических свойств производных хитина/хитозана путем получения интермедиатов - своеобразных сополимеров контролируемой структуры, представляющих собой смесь родона-чальных и модифицированных звеньев полимера,
разработанные гомофазные методы получения производных хитина/хитозана, позволяющие получать стандартизованные интермедиаты как перспективные исходные соединения для дальнейших синтетических превращений и разработки биоматериалов,
способ и условия трансформации структуры и размеров частиц макромолекул хитозана и его полиэлектролитных комплексов,
данные о строении и свойствах собственно биологически активных производных хитозана и его полиэлектролитных комплексов,
принципы создания и твердофазные методы получения биоактивных комплексов включения на основе хитозана и БАВ
Личный вклад автора заключается в формулировании и постановке целей и задач, обосновании путей их решения и непосредственном выполнении экспериментов, анализе и обобщении результатов исследований и медико-биологических испытаний, организации опытно - промышленной апробации разработанных технологических процессов
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 1 -III Всесоюзных конференциях по хитину и хитозану (Владивосток, 1983, Мурманск, 1987 и Москва, 1991), XII Всесоюзной конференции по высокомолекулярным соединениям (Алма-Ата, 1985), I Всесоюзной конференции по интерполимерным комплексам (Москва, 1984), III, IV HVI Международной конференции по хитину и хитозану (Италия, 1985, Норвегия, 1988 и Польша, 1994), III Всесоюзной конференции "Водорастворимые полимеры и их применение" (Иркутск, 1987), I Международной конференции Европейского хитинового общества (Франция, 1995), V и VII Международных конференциях
"Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана" Москва, 1999 г и Санкт-Петербург, 2003г)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав, экспериментальной части, заключения и выводов, списка литературы (411 наименований) и приложений, включающих акты об испытаниях и другую нормативно-техническую документацию Основной текст диссертации изложен на 360 страницах, включая 131 рисунок и 107 таблиц Работа выполнена в лаборатории биополимеров ИНЭОС РАН и группе мукополисахаридов ИПВ РАН, а также при участии ряда других организаций (ИФХМ МЗ РФ, ВНИРО) Теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых обобщены в диссертационной работе, проводились в рамках и соответствии с Координационными планами АН СССР и Постановлением правительства СССР (задание "Омега" на 1986-1990 гг), а также при поддержке Международного научного фонда и Миннауки РФ гранты N4B300 и N4B000, 1994-1996 гт )
