Научная статья на тему 'Деструкция хитозановых пленок под действием неспецифических ферментов'

Деструкция хитозановых пленок под действием неспецифических ферментов Текст научной статьи по специальности «Химия»

283
26
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
ХИТОЗАН / ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ / ФЕРМЕНТЫ / ДЕСТРУКЦИЯ

Аннотация научной статьи по химии, автор научной работы — Кулиш Е. И., Чернова В. В., Володина В. П., Абдуллина Л. Б., Колесов С. В.

Рассмотрены особенности протекания ферментативной деструкции образцов хитозана, полученных в виде пленок из растворов в уксусной кислоте, под действием неспецифических ферментов коллагеназы и лиразы. Обнаружено, что варьирование концентрации кислоты в исходном растворе в существенной мере сказывается на структуре хитозана в сформированной пленке и, как следствие, степени деструкции пленочных образцов.

Похожие темы научных работ по химии , автор научной работы — Кулиш Е.И., Чернова В.В., Володина В.П., Абдуллина Л.Б., Колесов С.В.,

THE BIODEGRADATION OF CHITOSAN FILMS UNDER THE UNSPECIFIC ENZYMES ACTION

The special features of the fermentative destruction of chitosan films obtained from the solutions in acetic acid have been examined under the action of unspecific ferments collagenase and lirase. It has been found that the variation of the concentration of the acid in the stock solution affects the structure of chitosan in formed films and the degree of degradation of tape models.

Текст научной работы на тему «Деструкция хитозановых пленок под действием неспецифических ферментов»

ISSN 1998-4812__________Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. №2

259

УДК 541.64:536

ДЕСТРУКЦИЯ ХИТОЗАНОВЫХ ПЛЕНОК ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕСПЕЦИФИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ

© Е. И. Кулиш 1а, В. В. Чернова \ В. П. Володина 2,

Л. Б. Абдуллина 1, С. В. Колесов 1

1 Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г.Уфа, Ул. Фрунзе, 32.

Тел.: + 7 (347) 273 66 08.

E-mail: onlyalena@mail.ru 2Институт органической химии Уфимского научного центра РАН Россия, 450054 г.Уфа, пр. Октября, 71.

Тел.: + 7 (347) 233 35 60.

Рассмотрены особенности протекания ферментативной деструкции образцов хитоза-на, полученных в виде пленок из растворов в уксусной кислоте, под действием неспецифических ферментов — коллагеназы и лиразы. Обнаружено, что варьирование концентрации кислоты в исходном растворе в существенной мере сказывается на структуре хитозана в сформированной пленке и, как следствие, степени деструкции пленочных образцов.

Ключевые слова: хитозан, полимерные пленки, ферменты, деструкция.

Одним из многочисленных достоинств хитозана (ХТ) является его биоразрушаемость до обычных для организма веществ [1]. В условиях медицинского применения хитозановых материалов их биодеградация осуществляется под действием неспецифических ферментов (например, ферментов, выделяемых раневой поверхностью: лиразы, коллагеназы и др.). В связи с этим рассмотрение факта возможного деструктирующего влияния на ХТ неспецифического фермента представляется важной задачей, как с научной, так и с практической точки зрения.

В качестве объекта исследования использовали образец ХТ производства фирмы Химмед, Россия (ТУ 6-09-05-296-76), полученный щелочным деацетилиро-ванием крабового хитина, со степенью деацетилирова-ния ~75% и с Мп = 120000 ([^]о = 3.0). В качестве ферментов использовались ферментные препараты «Коллагеназа КК» и «Лираза», (ГУП «Иммунопрепарат», Уфа), взятые в количестве 4% масс. по отношению к массе полимера. Пленки ХТ из растворов в уксусной кислоте различной концентрации получали методом полива на стеклянную подложку. Массовая концентрация полимеров в исходном растворе составляла 2 г/дл. Концентрация уксусной кислоты варьировалась от 1 до 50% масс. Толщина пленок во всех экспериментах поддерживалась постоянной и равной 0.1 мм. Для моделирования процесса деструкции пленочного образца ХТ на раневой поверхности пленку помещали на подложку, смоченную раствором фермента, и выдерживали при температуре 35 °С в течение определенного времени. Кинетику деструкции определяли по данным вискозиметрии в буферном растворе, состоящем из 0.3 М уксусной кислоты и 0.2 М ацетата натрия.

Принципиальная возможность протекания процесса ферментативного разложения ХТ под действием коллагеназы была нами обнаружена ранее [2]. Использованная в работе методика вискозиметриче-ской оценки степени изменения молекулярной массы позволяет установить факт протекания деструкции

по уменьшению вязкости растворов ХТ под действием ферментного препарата в зависимости от времени выдержки пленочного образца. Полученные данные однозначно свидетельствуют в пользу того, что в пленках ХТ под действием коллагеназы и лиразы проходит ферментативная деструкция, несмотря на то, что данные ферменты являются неспецифичными по отношению к ХТ. Обращает на себя внимание тот факт, что при ферментолизе хитозановой пленки изменение характеристической вязкости со временем носит неравномерный характер: основное падение вязкости (в среднем на 30-40% от исходного значения) происходит за первые 30 минут, а далее изменения характеристической вязкости раствора, полученного из пленочных образцов, крайне незначительны (рис. 1). Кроме того, значение характеристической вязкости ХТ, определенное путем растворения пленочного образца, прошедшего стадию формования из раствора в уксусной кислоте и не подвергнутого ферментативной деструкции ([^] = 2.5), не совпадает со значением характеристической вязкости исходного ХТ ([л]0 = 3.0). Данный факт был объяснен как результат структурных перестроек, которые происходят в растворе и сохраняются в пленке [2].

Рис. 1. Зависимость характеристической вязкости растворов хитозана, полученных из пленочных образцов, сформированных из 1%-ной уксусной кислоты, от времени контакта с коллагеназой (1) и лиразой (2).

* автор, ответственный за переписку

260

раздел ХИМИЯ и ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Известно [3, 4], что концентрация уксусной кислоты в растворе существенным образом сказывается на степени протонирования аминогрупп ХТ а и, соответственно, вязкости растворов ХТ. Эквимольное соотношение «уксусная кислота : ХТ» обеспечивает достижение величин а < 0.5-0.7. Соответственно, растворы ХТ в разбавленной уксусной кислоте (1-2% масс.) характеризуются невысокой вязкостью и компактной формой макромолекул. Лишь при 7-10-кратном мольном избытке уксусной кислоты (10%-ная уксусная кислота) по отношению к ХТ степень протонирования аминогрупп становится равной единице. Соответственно, повышение концентрации уксусной кислоты от 1 до 10%, вероятно, сопровождается разворачиванием макромолекулярных кубков и увеличением значения характеристической вязкости раствора. При увеличении концентрации кислоты (выше 10%) наблюдается снижение характеристической вязкости, которое, по-видимому, связано с повышением ионной силы раствора, экранированием аминогрупп полимера и компактцией его макромолекул. Таким образом, различие в структуре исходных растворов сохраняется и в структуре пленок, сформированных из растворов. Зависимость характеристической вязкости растворов, полученных из пленочных образцов, от концентрации кислоты, из которой была сформирована пленка, носит сложный, экстремальный характер (рис. 2).

В связи с этим существует принципиальная возможность, варьируя структуру полученного из раствора пленочного материала, регулировать доступность звеньев ХТ для взаимодействия с ферментом в процессе деструкции, и, следовательно, регулировать скорость процесса ферментативной деструкции ХТ.

По данным вискозиметрических измерений (табл.) можно оценить не только относительное уменьшение характеристической вязкости, но и молекулярной массы ХТ, пользуясь уравнением Марка-Куна для растворов ХТ в используемом ацетатном буфере ([^] = 1.38-10-4 М 085).

[Л] *

-----1—...".. 1 ......................►

20 40 С, г/дл

Рис. 2. Зависимость характеристической вязкости растворов хитозана, полученных из недеструктированных пленочных образцов, от концентрации уксусной кислоты в исходном растворе.

Таблица

Влияние концентрации уксусной кислоты в исходном растворе на степень ферментативной деструкции пленочных образцов хитозана (время выдержки в растворе с ферментом - 1 час)

Концентрация уксусной кислоты, г/дл А[,], дл/г ДМ^10 -3

Коллагеназа

1 1.03 36

5 1.28 47

10 1.33 49

15 1.15 41

20 1.08 38

50 1.12 40

Лираза

1 0.70 17

5 0.88 30

10 0.94 32

15 0.90 31

20 0.74 24

50 0.80 26

Как видно из табл., несмотря на некоторую количественную разницу, закономерности протекания ферментативной деструкции при использовании коллагеназы и лиразы одни и те же: в большей степени деструкции подвергаются пленки, полученные из 10%-ной уксусной кислоты, в меньшей -из 1%-ной кислоты. По всей вероятности, надмолекулярная структура пленочных образцов разная. Пленки, сформированные из 1%-ной уксусной кислоты, характеризуются более плотной упаковкой, и доступность звеньев ХТ для взаимодействия с ферментом в них небольшая. Пленки, сформированные из растворов в 10%-ной уксусной кислоте, напротив, характеризуются пониженной плотностью упаковки, что приводит к большей доступности ХТ для взаимодействия с ферментом, и, как следствие, более интенсивной деструкции.

Таким образом, процесс ферментативной деструкции пленочных образцов ХТ оказывается чувствительным к надмолекулярной структуре полимера, которая, в свою очередь, определяется структурой полимера в исходном растворе, из которого готовятся пленки. Это позволяет формировать хитозановые покрытия с регулируемой биораз-рушаемостью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Muzzarelly R. Chitin. London: Pergamon Press, 1977. - 309 p.

2. Кулиш Е. И., Володина В. П., Колесов С. В., Заиков Г. Е. // Вы-сокомолек.соед. Б. 2006. Т.48. №9. С.1721.

3. Вихорева Г. А., Роговина С. З., Пчелко О. М., Гальфайх Л. С. // Высо-комолек. соед Б. 2001. Т.43. №6. С.1079.

4. Агеев Е. П., Вихорева Г. А., Матушкина Н. Н., Пчелко О. М., Гальбрайх Л. С. // Высокомолек. соед. А. 2000. Т.42. №2. С.333.

Поступила в редакцию 2I.02.2007 г.