Спасительный панцирь: что такое хитозан и как он стал биополимером будущего

Среди представителей обширного царства биоматериалов немногие соединения покорили научное сообщество так, как хитозан. Благодаря уникальным свойствам его используют в разработке упаковок, медицинских товаров, водоочистительных реагентов.

По сравнению с 2015 годом в 2023 году количество публикаций на тему хитозана увеличилось в 3 раза  — ученые находят все новые и новые области применения для этого соединения. Но как и, главное, почему этот полимер завоевал такую популярность?

Поможет ли хитозан решить проблему пластикового загрязнения или заменить привычные титановые имплантаты, рассказывает химик, научный журналист Сакина Зейналова.

Что такое хитозан

Хитозан был впервые получен французским ученым Шарлем Руже в 1859 году путем выдержки хитина в щелочной среде. 35 спустя немецкий врач и химик Феликс Хоппе-Сейер назвал этот материал хитозаном. Однако его химическая структура не была известна вплоть до 1950 года.

Хитозан — это природное высокомолекулярное вещество (то есть полимер), получаемое из панцирей ракообразных. Но если быть еще более точным, то из панцирей получается не он, а его предшественник — хитин. И возможное сырье не ограничивается только ракообразными: в действительности хитин является наиболее распространенным биополимером сразу после целлюлозы.

Он содержится в панцирях морских беспозвоночных крабов, креветок, криля, омаров, кальмаров и раков. Другие источники хитина — насекомые (включая тараканов, комаров), пчел и личинок тутового шелкопряда), водоросли, грибки, дрожжи, прочие микроорганизмы.  

Как получают хитозан

Чтобы стать хитозаном, хитин претерпевает 4 стадии: депротеинизация, деминерализация, обесцвечивание и деацетилирование. Только после этого хитин становится хитозаном. 

Последняя стадия, деацетилирование, определяет свойства получаемого полимера. То, насколько полно прошла эта реакция, определяет степень деацетилирования. Вместе с молекулярной массой она является важнейшим свойством хитозана. Например, степень ацетилирования определяет поликатионный характер полимера в кислой среде. Это результат ионизации аминогруппы. А вязкость и растворимость в воде — функциональные свойства хитозана, которые изменяются за счет изменения его молекулярной массы.

Не такой как все

Хитозан — биологически активная молекула. Он проявляет противомикробное, противогрибковое, противоопухолевое, противораковое, противодиабетическое, ранозаживляющее и антиоксидантное действие. Все это следствие химической структуры полимера, так как хитозан:

• имеет способность к образованию межмолекулярных водородных связей,

• содержит реакционноспособные группы в молекуле, то есть такие, которые могут вступать в химические реакции. Благодаря наличию аминогрупп хитозан может образовывать комплексы с другими соединениями,

• образует соли с органическими и неорганическими кислотами, 

• имеет свойство ионной проводимости, 

• может образовывать прочные пленки.

Было установлено существование трех полимерных форм хитозана: α-, β- и γ-формы. Среди них α-хитозан является наиболее стабильной и распространенной формой, поскольку имеет упакованную структуру за счет антипараллельного расположения полимерных цепей. При этом β-форма хитозана имеет параллельное, а γ-хитозан — случайное расположение полимерных цепей. Молекулярная масса хитозана колеблется от 50 до 2000 кДа в зависимости от источника и способа получения. Степень деацетилирования варьируется от 54% до 100%. Наличие аминогрупп в структуре хитозана во многом отличает его от хитина. 

Универсальный «солдат»

Область применения хитозана крайне широка, ведь его добавляют в продукты питания, используют как биологически активную добавку, из него делают текстиль, косметику, медицинские имплантаты. На основе хитозана разрабатывают средства для очистки водных стоков, лекарственные препараты и биоразлагаемую пластиковую упаковку.

Именно благодаря широчайшим возможностям применения хитозана и его производных спрос на этот полимер растет с каждым годом по всему миру.

Области применения хитозана

Защита растений

Растворы хитозана используются для обработки семян от вредителей и плесени, а также в качестве защиты от замерзания. Модифицированный полимер также используют для точной доставки удобрений и увеличения их эффективности. 

Очистка воды

Также  хитозан положительно себя зарекомендовал в качестве адсорбента для удаления загрязняющих веществ из водных сред. Особенно эффективно он справляется с ионами тяжелых металлов, таких как Cr(VI), Pb(II), Cd(II), Cu(II), а также с различными красителями, фенолом и другими органическими молекулами.

Широкое распространение адсорбентов на основе хитозана связано с возможностью кастомизировать полимер под конкретные стоки, соединяя его с оксидом графена, углеродными нанотрубками, активированным углем и другими компонентами. Помимо этого, сам хитозан добывается из возобновляемого и недорогого сырья. Все эти факторы сделали биополимер из ракообразных ценным продуктом для очистки воды.

Сохранение свежести продуктов

Пленки на основе хитозана уже несколько лет тестируются в качестве альтернативы полиэтиленовым барьерным пленкам. В отличие от обычного синтетического пластика, они биоразлагаемые, получаются из возобновляемого сырья и вдобавок имеют антимикробные свойства. Последнее и помогает продлить срок хранения продуктов. Пленки могут быть и аналогичные пластиковым, и съедобные — вопрос заключается лишь в способе модификации хитозана.

Кроме создания пленок, рассматривается и более простой вариант: нанесение раствора хитозана на поверхность продуктов. Засчет способности образовывать пленки раствор хитозана предотвращает испарение воды, не дает хлебу быстро затвердевать и препятствует при этом развитию в нем бактерий. Таким же образом можно  можно покрыть хитозаном поверхности яиц и фруктов, чтобы создать защитный барьер, защитить их от потемнения и продлить их срок хранения. 

Уточним, что хитозановые заменители синтетических пластмасс сильно уступают последним в механических свойствах и не могут быть их универсальной альтернативой. Биоразлагаемость, хотя и считается положительным свойством хитозана, ограничивает применение изготовленных из него товаров — они выходят менее прочными, да и срок их службы короче, чем у пластмассовых предметов, что может быть критичным для их функциональности.

Хитозан в медицине

Хитозан активно применяется в биомедицинской области, включая заживление ран, тканевую инженерию и регенерацию костей, стоматологию, биовизуализацию, биосенсоры, адресную доставку лекарств и доставку генов. 

Скаффолды для остеозамещения

Использвание биосовместимого и биорезорбируемого (так называют вещества, способные рассасываться внутри живого организма) для замены классических металлов и керамики — привлекательное направление в имплантологии. Наибольший интерес представляют скаффолды для остеозамещения на основе хитозана — это заменяющие недостающие участки костной ткани каркасы, через которые могут расти клетки. 

Гемостатические средства

Хитозан и его производные положительно зарекомендовали себя в качестве средств для быстрой остановки кровотечений. При этом эффективность показали разные формы: гидрогели, губки, пленки, растворы. Активно используются хитозановые композиции, наполненные ионами серебра, золота, цинка, янтарной кислотой.

Селективная доставка лекарств

Благодаря поликатионному характеру молекулы хитозана, а также широким возможностям получения его производных композиции на основе хитозана могут быть использованы для точной доставки лекарственных препаратов. 

Усовершенствованные нанопрепараты на основе хитозана более эффективны, чем традиционные лекарства или микропрепараты с точки зрения адресно-специфической направленности, замедленного и контролируемого высвобождения, повышенной скорости абсорбции и биодоступности, а также улучшенной стабильности терапевтических агентов.

Сбросить лишнее

Из-за множества положительных свойств хитозан был опробован и для борьбы с избыточным весом. Согласно расхожей “теории” он способствует связыванию жиров и их выведению из организма. Так заявляют производители биологически активных добавок. Однако все несколько сложнее. В обзоре исследований от “Кокрейн” были проанализированы 15 исследований продолжительностью от 4 до 24 недель, в которых приняли участие 1219 человек. Авторы пришли к выводу, что хитозан, вероятно, может оказывать небольшое влияние на массу тела, но результаты высококачественных исследований показывают, что этот эффект минимален.

Большие надежды 

Выходит, что хитозан обладает одной из широчайших областей применения.  Использование хитозана представляет огромный интерес как для ученых, так и для самых разных секторов промышленности.

По мере того как исследований и разработок на основе хитозана становится все больше, мы можем ожидать появления принципиально новых способов его применения, которые будут способствовать достижению более экологичного, здорового и устойчивого будущего. Но уже сейчас хитозан является примером уникального биоматериала, способного изменить нашу жизнь к лучшему.