Chitozan to polisacharyd pochodzący z chityny; chityna jest drugim po celulozie najliczniejszym polisacharydem na świecie. Chitozan jest biokompatybilny, biodegradowalny i nietoksyczny, dzięki czemu może być stosowany w medycynie, jako biomateriał antybakteryjny i leczące rany. Stosowany jest również jako czynnik chelatujący ze względu na jego zdolność do wiązania się z cholesterolem, tłuszczami, białkami i jonami metali.
Co to jest chitozan?
Chitozan jest cukrem otrzymywanym z twardego zewnętrznego szkieletu skorupiaków, w tym kraba, homara i krewetek. Używany jest do celów medycznych. Chitozan jest stosowany w leczeniu otyłości, wysokiego cholesterolu i choroby Crohna. Stosuje się go również w leczeniu powikłań u pacjentów z niewydolnością nerek, niedokrwistością, utratą siły i apetytu, a także problemach ze snem.
Niektóre osoby stosują chitozan bezpośrednio na dziąsła w celu leczenia stanów zapalnych, które mogą prowadzić do utraty zębów (paradontoza), lub żuć gumę zawierającą chitozan, aby zapobiec próchnicy. Aby pomóc “tkance dawcy” w odbudowie, chirurdzy plastyczni czasami nakładają chitozan bezpośrednio na miejsca, z których pobrali tkankę do wykorzystania w innym miejscu.
W produkcji farmaceutycznej chitozan jest stosowany jako wypełniacz w tabletkach; jako nośnik w lekach o kontrolowanym uwalnianiu; w celu poprawy sposobu rozpuszczania niektórych leków; oraz do maskowania gorzkich smaków w roztworach przyjmowanych doustnie.
Chitosan – budowa
Obecność grup aminowych w strukturze chitozanu może być protonowana, zapewniając rozpuszczalność w rozcieńczonych kwaśnych roztworach wodnych. Kilka niezwykłych właściwości chitozanu dało unikalne możliwości rozwoju zastosowań biomedycznych. Wyjaśnienie ich mechanizmu doprowadzi do lepszego zrozumienia medycznego i farmaceutycznego zainteresowania chitozanem.
Aktywność hemostatyczna chitozanu może być również związana z obecnością dodatnich ładunków na szkielecie chitozanu. Dzięki dodatnim ładunkom chitozan może również wchodzić w interakcje z ujemną częścią błony komórkowej, co może prowadzić do reorganizacji i otwarcia białek szczelnego połączenia, wyjaśniając właściwości zwiększające przenikanie tego polisacharydu.
Polikationowy charakter chitozanu pozwala również na wyjaśnienie działania przeciwbólowego chitozanu. Teraz, aby wyjaśnić podatność chitozanu na biodegradację, należy pamiętać, że chitozan jest nie tylko polimerową grupą aminową, ale również polisacharydem, który w konsekwencji zawiera łamliwe wiązania glikozydowe. Chitozan jest faktycznie degradowany in vivo przez kilka proteaz, głównie lizozymu.
Chitozan jest biokompatybilny, biodegradowalny i nietoksyczny, dzięki czemu może być stosowany w medycynie jako biomateriał antybakteryjny i do leczenia ran. Stosowany jest jako czynnik chelatujący ze względu na swoją zdolność wiązania się z cholesterolem, tłuszczami, białkami i jonami metali.
Ze względu na wiele atrakcyjnych właściwości chitozanu, takich jak biodegradowalność, naturalne pochodzenie, obfitość, reaktywność, itp., ma on wiele obszarów zastosowań, w tym w medycynie, rolnictwie, przetwórstwie spożywczym, wzbogacaniu żywności, kosmetykach oraz oczyszczaniu ścieków i wody.
Chitozan jest trudny do elektrospunkcji do struktury włóknistej, ponieważ ma charakter polikationowy w kwaśnym roztworze wodnym ze względu na wiele grup aminowych w jego szkielecie. Struktury włókniste powstały w wyniku elektrospinania roztworów chitozanu w 90 % wodnym roztworze kwasu octowego lub przy użyciu kwasu trifluorooctowego (TFA) lub TFA/dichlorometanu (DCM).
Ponieważ elektrospinning samego chitozanu okazał się trudny, chitozan został zmieszany z innymi syntetycznymi lub naturalnymi polimerami, takimi jak PEO lub PVA. Nanawłókna chitozanu i chitozanu o średnicy 50-500 nm są biokompatybilne i ulegają biodegradacji, dzięki czemu mogą być stosowane jako materiały hemostatyczne i gojące rany.
Produkcja chityny i chitozanu
Chitozan produkowany z muszli skorupiaków, takich jak krab i krewetka. Muszle te zawierają 30-40% białka, 30-50% węglanu wapnia i 20-30% chityny. Produkcja chitozanu obejmuje cztery etapy: demineralizację (DM), deproteinizację (DP), odbarwianie (DC) ieacetylację (DA).
Proceseacetylacji chityny, otrzymywanej z łupin kraba lub krewetki, w celu utworzenia chitozanu na ogół daje chitozan o deacetylacji od 70% do 95%.
Chitozan jako biomateriał
Chitozan ma kilka właściwości, które mogą być wykorzystane w biomedycynie. Posiada dodatnie ładunki w środowisku kwaśnym, dzięki protonowaniu grup aminowych, i może wiązać się z ujemnymi pozostałościami w mucynie, które prowadzą do poprawy właściwości śluzotwórczych.
Również ładunki dodatnie na chitozanie mogą wiązać się z ujemnymi ładunkami na krwinki czerwone (RBC), dzięki czemu chitozan stosowany jako środek hemostatyczny.
Chitozan ma dwa mechanizmy wyjaśniające jego działanie przeciwbakteryjne. Pierwszy mechanizm proponował aby ładunki dodatnie na chitozanie mogły wiązać się z ujemnymi ładunkami na powierzchni komórek bakteryjnych, które zmieniają przepuszczalność i wycieki rozpuszczają się na zewnątrz komórek. Drugi, że może on wiązać się z bakteryjną komórką DNA, która hamuje syntezę RNA.
Polikationowy charakter chitozanu pozwala również na wyjaśnienie działania przeciwbólowego chitozanu. Rzeczywiście, grupy aminowe pozostałości D-glukozaminy mogą się protonować w obecności jonów protonowych, które są uwalniane w obszarze zapalnym, co powoduje działanie przeciwbólowe.
Teraz, aby wyjaśnić podatność chitozanu na biodegradację, należy pamiętać, że chitozan jest nie tylko polimerowymi grupami aminowymi, ale także polisacharydem, który w konsekwencji zawiera łamliwe wiązania glikozydowe. Chitozan jest faktycznie degradowany in vivo przez kilka proteaz, a głównie lizozym. Do tej pory zidentyfikowano osiem ludzkich chitynaz, z których trzy mają aktywność enzymatyczną na chitozan. Biodegradacja chitozanu prowadzi do powstawania nietoksycznych oligosacharydów o zmiennej długości. Te oligosacharydy mogą być włączane do szlaków metabolicznych lub dalej wydalane. Szybkość degradacji chitozanu zależy głównie od stopnia jego ocetylacji, ale także od rozkładu pozostałości N-acetylo-D-glukozaminy i masy cząsteczkowej chitozanu.
Chitozan wykazuje biokompatybilność w zastosowaniach biomedycznych, takich jak szwy i skóry sztuczne i został szczególnie zatwierdzony przez Food and Drug Administration (FDA) do stosowania w opatrunkach ran. Zgodność chitozanu z podłożem fizjologicznym zależy jednak od metody preparacji (białka resztkowe mogą rzeczywiście powodować reakcje alergiczne) oraz od DD – biokompatybilność wzrasta wraz ze wzrostem DD. Chitozan rzeczywiście okazał się być bardziej cytokompatybilny in vitro niż chityna. Rzeczywiście, podczas gdy liczba ładunków dodatnich zwiększa interakcję między komórkami i chitozan również wzrasta, co ma tendencję do poprawy biokompatybilności.
Poza tym niektóre modyfikacje chemiczne struktury chitozanu mogą indukować toksyczność. Proces produkcji chitozanu ma duży wpływ na jego właściwości, ponieważ procesy te kontrolują stopień acetylacji chitozanu, czyli wolnych grup aminowych, które pozwalają na jego wiązanie się z ujemnie naładowanymi cząsteczkami.
Chitozan ma kilka właściwości biologicznych, które czynią go atrakcyjnym materiałem do zastosowań medycznych. Do właściwości tych należą: biodegradowalność, brak toksyczności, działanie przeciwgrzybicze, przyspieszenie gojenia się ran i stymulacja układu odpornościowego.
Chitozan – zastosowanie
Ze względu na wiele atrakcyjnych właściwości chitozanu, takich jak biodegradowalność, naturalne pochodzenie, obfitość, reaktywność itp., ma on wiele obszarów zastosowań, w tym: medycyna, rolnictwo, przetwórstwo spożywcze, wzbogacanie żywności, kosmetyka oraz oczyszczanie ścieków i wody.
Zastosowania w rolnictwie
Obfitość, biodegradowalność, nietoksyczność i naturalne pochodzenie chitozanu pozwalają na jego bezpieczne stosowanie w rolnictwie, ponieważ może być on stosowany bez obaw o zanieczyszczenie, usuwanie lub szkody dla konsumentów w przypadku spożycia. Powlekanie nasion, powlekanie liści, nawóz oraz czas reakcji leku lub nawozu to niektóre z zastosowań w rolnictwie, w którym stosuje się chitozan. Zastosowanie chitozanu na tych obszarach dowiodło, że zwiększa ilość produkowanych roślin poprzez poprawę kiełkowania, ukorzeniania, wzrostu liści, plonów nasion i retencji wilgoci w glebie, przy jednoczesnym ograniczeniu występowania infekcji grzybiczych i chorób.
Oczyszczania ścieków
Grupy funkcyjne i naturalne właściwości chelatujące chitozanu czynią go przydatnym w oczyszczaniu ścieków, umożliwiając wiązanie i usuwanie ze ścieków jonów metali takich jak miedź, ołów, rtęć i uran. Może on być również wykorzystywany do rozkładu cząstek żywności zawierających białko oraz do usuwania barwników i innych ujemnie naładowanych cząstek stałych ze strumieni ścieków i wylotów przetwórczych.
Przemysł spożywczy
Właściwości chelatujące i wysoka funkcjonalność chitozanu sprawiają, że jest on cenny w wielu zastosowaniach w przemyśle spożywczym, takich jak wiązanie i usuwanie pewnych elementów, cząstek i materiałów, takich jak barwniki i tłuszcze z żywności. Właściwości antybakteryjne i przeciwgrzybicze chitozanu mogą być również stosowane podczas przechowywania i konserwacji żywności.
Zastosowania medyczne
Ze względu na zdolność chitozanu do funkcjonowania w wielu formach ma on wiele obszarów zainteresowania w branży medycznej, w tym zastosowania ortopedyczne i periodontologiczne (inżynieria tkankowa, leczenie ran transport leków).
Przykładami zastosowań biomedycznych są: sztuczna skóra, szwy chirurgiczne, sztuczne naczynia krwionośne, kontrolowane uwalnianie leków, soczewki kontaktowe, płyn do oczu, bandaże, gąbki, opatrunki na oparzenia, kontrola poziomu cholesterolu we krwi, leki przeciwzapalne, hamowanie nowotworów, leki przeciwwirusowe, hamowanie tworzenia się płytki nazębnej, gojenie kości, akcelerator gojenia ran, środek hemostatyczny, środek antybakteryjny, środek przeciwgrzybiczny, odchudzanie.
Źródło:
https://www.webmd.com/vitamins/ai/ingredientmono-625/chitosan [15/05/2020]
https://www.rxlist.com/chitosan/supplements.htm [15/05/2020]
https://www.intechopen.com/books/chitosan-as-a-biomaterial-structure-properties-and-electrospun-nanofibers [15/05/2020]