آشنایی با کیتوسان و کاربرد آن در نساجی

آشنایی با کیتوسان و کاربرد آن در نساجی

کیتین

کیتین از جمله پلیمر‌های طبیعی و جزو دسته پلی‌ساکارید‌های بسیار مهم در طبیعت است که از لحاظ فراوانی‌ بعد از سلولز در رتبه دوم قرار دارد. منابع تهیه این پلیمر منبع گیاهی و جانوری موجود در طبیعت مانند دیواره سلولی قارچ‌ها، جانوران دریای مانند خرچنگ‌ها، میگو، جانوران مفصل‌دار و دیگر سخت‌پوستان دریایی می‌‌باشند که تمامی‌ این منابع در طبقه منابع تجدید پذیر طبیعی قرار دارند[23].

دانشمندی به نام Braconot برای اولین بار در سال ۱۸۱۱ کیتین را از دیواره سلولی قارچ تهیه کرد. کیتین کلمه‌ای یونانی و به معنی‌ پوشش است. پس از آن در سال ۱۹۲۳، Odier این پلیمر را از واکنش پوشش بدن سوسک در محلول قلیایی داغ جدا کرد. کیتین یک پلی‌ساکارید خطی‌ می‌‌باشد که از پیوند مونومر‌های N- استیل – ۲- آمینو – ۲- دی‌اکسی – D- گلوکز ساخته شده است و پلیمر N- استیل – D- گلوکز‌آمین را تشکیل می‌‌دهد. ساختار کیتین به منبع تولید آن وابسته است و به دلیل همین تنوع، تفاوت‌های کمی‌ در ساختار آن ایجاد می‌‌شود[24].

کیتین از جمله پلیمر‌های نامحلول در آب می‌‌باشد و به همین دلیل فعالیت‌های شیمیایی آن بسیار کم است. خواص ظاهری کیتین شامل رنگ سفید، پلیمر سخت و غیر الاستیک است. این پلیمر یک پلی‌ساکارید نیتروژن‌دار می‌‌باشد و به دلیل داشتن حدود ۸۹/6 درصد نیتروژن به مقدار زیادی مورد توجه قرار گرفته است[25]. کیتین همانند سلولز یک پلیمر نیمه کریستالی است و واکنش‌های شیمیایی روی این پلیمر در بخش‌های آمورف آن اتفاق می‌‌افتد. ساختار این پلیمر همانند سلولز است با این تفاوت که به جای گروه‌های هیدروکسیل بر روی کربن شماره ۲، گروه استامید قرار گرفته است(شکل ۱-8)[26].

شکل 1-8 : مقایسه ساختار کیتین و سلولز[26]

کیتین از سه مورفولوژی به نام‌های  و  و  تشکیل شده است. این تفاوت در مورفولوژی ساختار کیتین به دلیل نحوه قرار‌گیری و قطبیت زنجیر‌های پلیمری مجاور در ساختار آن می‌‌باشد. اگر نمونه کیتین در محلول ۲۰ درصد سود قرار گیرد و سپس شستشو داده شود، آلفا و بتا کیتین از هم جدا می‌‌شوند. هر دو ساختار به‌صورت صفحات سختی هستند که به وسیله پیوند هیدروژنی درون مولکولی بهم متصل شده‌اند. این شبکه سخت به وسیله پیوند‌های هیدروژنی نسبتا قوی بین گروه‌های NHCO بهم متصلند[27].

با بررسی ساختار آلفا کیتین مشاهده شده است که در این ساختار پیوند هیدروژنی درون مولکولی بین دو قسمت بوده که نیمی از باند‌ها در هر قسمت قرار گرفته‌اند و همین امر باعث غیر محلول شدن و عدم واکنش‌پذیری کیتین می‌‌شود. همچنین با بررسی ساختار بتا کیتین مشاهده شده است که تورم بین سطحی آن بیشتر از ساختار آلفا می‌‌باشد و همچنین در ساختار بتا همه زنجیر‌ها، رفتار قطبی از خود نشان می‌‌دهند که این موضوع در مورد زنجیر‌های آلفا صادق نیست[28].

درجه استیل‌دار شدن کیتین در حدود ۹۰ درصد است که این امر نشان دهنده وجود گروه‌های آمینو در کیتین می‌‌باشد. به عبارت دیگر می‌‌توان گفت در ساختار کیتین تا حدود ۵-۱۵ درصد گروه آمین گزارش شده است[29].

یکی‌ از منابع مهم تهیه کیتین منابع دریایی و ساحلی مثل پوشش بدن سخت‌پوستان و خرچنگ‌های دریایی است. در این منابع مقادیر زیادی کیتین به همراه پروتئین، نمک‌های معدنی مانند کربنات و فسفات کلسیم، لیپید‌ها و پیگمنت‌ها وجود دارد. از آنجا که کیتین قابل حل در آب و حلا‌ل‌های آلی نمی‌‌باشد، مشتق N- استیل زدایی شده کیتین تهیه شد که خواص بهتری نسبت به کیتین داشت و آن را کیتوسان نامیدند[30].

کیتوسان

کیتوسان اولین بار در سال ۱۸۵۹ توسط Rouget شناسایی و معرفی‌ شد. او کیتین را با هیدروکسید پتاسیم واکنش داد و محصول بدست آمده را که در محیط‌های اسیدی حل می‌‌شد کیتین اصلاح شده نامید. Hoppe و Seylers در سال ۱۸۹۴ پس از عمل نمودن کیتین با هیدروکسید پتاسیم در دمای ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد، محصولی بدست آوردند که در محلول‌های رقیق اسیدی حل می‌‌شد و مقدار نیتروژن موجود در آن با نیتروژن موجود در کیتین اولیه برابری می‌‌کرد، آن‌ها ماده بدست آمده را کیتوسان نامیدند[24].

زمانی‌ که درجه استیل‌زدایی کیتین در محیط قلیایی به حدود ۵۰ درصد برسد، پلیمر شروع به حل شدن در محلول اسیدی می‌‌کند و در واقع کیتوسان به وجود آمده است. کیتوسان را به طریق هیدرولیز آنزیمی هم می‌‌توان به دست آورد(شکل ۱-8).

شکل 1-9 : واکنش استیل‌زدایی کتین در محیط قلیایی[31]

استیل‌زدایی کیتین به وسیله هیدرولیز گروه‌های استامید در دمای بالا(۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و در شرایط قلیایی در حضور هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم اتفاق می‌‌افتد. با انجام عملیات قلیایی بر روی کیتین حد‌اکثر درجه استیل‌زدایی بدست آمده ۷۵-۸۵ درصد است و از این مقدار تجاوز نخواهد کرد. با ادامه عملیات، افزایش قابل توجهی‌ در در درجه استیل‌زدایی بوجود خواهد آمد اما این موضوع تا حدودی باعث تجزیه پلیمر و آسیب رساندن به آن می‌‌شود. کیتین یک پلیمر نیمه کریستالی است بنابر‌این زمانی‌ که واکنش استیل‌زدایی انجام می‌‌گیرد، مواد فقط در قسمت آمورف وارد شده و گروه‌های استامید در بخش آمورف به گروه‌های آمین تبدیل می‌‌گردد. بنابر‌این کیتوسان‌های موجود همواره مخلوطی از کیتین استیل‌زدایی شده و کیتین استیل‌زدایی نشده می‌‌باشد. بنابر‌این نوع کیتوسان همواره با درجه استیل‌زدایی آن ذکر می‌‌گردد[31].

کیتوسان تنها پلیمر کاتیونیک طبیعی محسوب می‌‌شود و این ویژگی‌ منحصر‌بفرد باعث افزایش کاربرد‌های آن شده‌است. خصلت کاتیونیک و همچنین دانسیته بار بالای این پلیمر در حالت محلول باعث قرار گرفتن آن در دسته مواد زیست‌سازگار شده‌است. این پلیمر در pH قلیایی و خنثی حل نمی‌‌شود و زمانی‌ که pH آن به محدوده اسیدی برسد زنجیرها شروع به باز شدن کرده و پلیمر حل می‌‌شود. این انحلال به وسیله قرار گرفتن پروتون اسیدی توسط گروه‌های NH₂ روی کربن شماره ۲(در گروه‌های D- گلوکز آمین) اتفاق می‌‌افتد[32].

فرمول شیمیایی کیتوسان  C₆H₁₁NO₄ است و ساختار شیمیایی آن در شکل ۱-۱۰ نشان داده شده است[33]،[34].

شکل 1-10 : ساختار شیمیایی کیتوسان[33]

از حلا‌ل‌های کیتوسان می‌‌توان به اسیدهای آلی مانند اسید استیک، اسید فرمیک، سیتریک اسیدها و همچنین اسیدهای غیر‌آلی مثل هیدرکلریدریک اسید اشاره کرد. برخی‌ خواص ساختاری کیتوسان مانند درجه استیل‌زدایی و وزن مولکولی، قابلیت حلالیت آن را تحت تاثیر قرار می‌‌دهد. متوسط وزن مولکولی کیتین 10⁶× 57/2 _ 10⁶ × 03/1 می باشد اما با انجام فرآیند استیل زدایی و تبدیل آن به کیتوسان ، این مقدار کاهش یافته و به  10⁵× 5 _  10⁵×1 می رسد که این مقدار به منبع و نحوه جداسازی کیتوسان بستگی دارد[34].

کیتوسان نیز همانند کیتین یک پلیمر نیمه کریستالی است که بخشی از کریستال‌های این پلیمر، کیتین‌های بطور کامل استیل‌زدایی شده‌ای هستند که وزن مولکولی پایینی دارند. درجه کریستالیتی کیتوسان بستگی به درجه استیل‌زدایی پلیمر دارد. کیتوسان بطور طبیعی در pH بالای ۷، بدلیل ثابت بودن ساختار کریستالی، غیر قابل حل است و بنابر‌این در محلول اسیدی، گروه‌های آمین پروتونه شده در pH کمتر از ۵ به راحتی‌ حل می‌‌شود. این پلیمر در محیط قلیایی به‌صورت ژل درمی آید. از همین روش ژل کردن برای ریسندگی الیاف استفاده شده و در نهایت الیافی با استقامت بالا تهیه می‌‌شود. این پلیمر به‌صورت فیلم پلیمری، پودر، لیف و غیره در صنایع مختلف به‌کار برده می‌‌شود[35].

اهمیت کیتین و کیتوسان و کاربردهای آن

مطالعه بهره‌برداری از کیتین و کیتوسان از اوایل قرن بیستم به دلیل عاملیت آن‌ها در کاربردهای دارویی و بیوتکنولوژی به طور گسترده‌ای آغاز شده است و هنوز ادامه دارد. الیاف کیتین و کیتوسان خاصیت ضد باکتری، جذب آب بالا و توانایی جذب یون‌های فلزی را دارند اما الیاف کیتین به دو دلیل کمتر تولید می‌شوند:

1- مشکل بودن جمع‌آوری مقادیر زیادی از کیتین

2- عدم وجود روشهای ریسندگی اقتصادی برای فیلامنت‌های با استحکام کیتین[36].

توجه به کیتین از مطالعه رفتار و خصوصیات شیمیایی لایزوزیم^[1] ، یک آنزیم موجود در مایعات بدن انسان، سرچشمه می‌گیرد. تنوعی وسیع برای کاربردهای کیتین و مشتقات آن از بیش از سه دهه پیش گزارش شده است[37]. کیتوسان به دلیل وجود گروه‌های آمینی و همچنین طبیعی بودن، از ویژگی‌های زیاد و منحصربه فردی از جمله قابلیت سازگاری بیولوژیکی، قابلیت تجزیه بیولوژیکی، فعالیت ضدمیکروبی، ترمیم زخم و تسریع بهبود تا 75%، اثرات ضد تومور، غیر سمی بودن و سازگاری با ژن‌ها برخوردار می‌باشد. آمین‌های کیتوسان در محیط اسیدی به آمین نوع چهارم تبدیل می‌گردد و در واقع کیتوسان به یک پلی‌کاتیون تبدیل می‌شود.

با توجه به ویژگی‌های مطلوب کیتوسان این پلیمر کاربردهای بسیاری را در زمینه‌های مختلف پیدا کرده و توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است، در اینجا به بعضی از این کاربردها اشاره خواهد شد.

تهیه مواد بیوتکنولوژیکی

کیتین دارای دو گروه هیدروکسیل است در حالی که کیتوسان یک گروه آمینو و دو گروه هیدروکسیل دارد. تغییر شیمیایی این گروه‌ها و واکنش‌های اصلاحی، تنوع محصولات ماکرومولکولی زیستی جدید را افزایش می‌دهد[38].

مواد ضد باکتری

فعالیت ضد میکروب کیتوسان برخلاف تنوع باکتری‌ها و قارچ‌ها ناشی از طبیعت پلی‌کاتیونیک آن است. انحلال‌پذیری در آب یک ویژگی‌ مهم کیتوسان به عنوان واکنشگر ضد میکروب است و محققین در حال مطالعه روی مشتقاتی از کیتوسان هستند که در محدوده وسیعی از pH در آب حل می‌شوند.

خاصیت ضد میکروبی کیتوسان با دو مکانیزیم شرح داده شده است:

1) جذب بارهای مثبت کیتوسان و منفی دیواره باکتری و چسبیدن کیتوسان به دیواره، یکنواختی دیواره را از بین برده و سبب اختلال در نفوذپذیری دیواره باکتری و درنهایت موجب مرگ باکتری می‌گردد.

2) کیتوسان به DNA سلول می‌چسبد و مانع سنتز RNA می‌شود و تولید پروتئین را مختل می‌سازد. البته این حالت منحصر به زمانی است که کیتوسان بسیار کوچک بوده و وزن مولکولی کمتر از 5000 داشته باشد تا بتواند به درون میکروب نفوذ کند ]37[.

بنابراین خاصیت ضد میکروبی کیتوسان را می‌توان به دلیل وجود گروه‌های آمین زیاد دانست که در محیط اسیدی که کیتوسان در آن حل می‌شود، به فرم پلی‌کاتیون در می‌آید. از این‌رو هر چه درجه دی‌استیله شدن بیشتر یعنی تعداد آمین‌ها بیشتر و درنهایت خاصیت ضد میکروبی بیشتر خواهد بود. لازم به ذکر است که کیتوسان در محیط خنثی یا قلیایی، به دلیل اینکه تبدیل به پلی‌کاتیون نمی‌شود اثر ضد میکروبی خوبی ندارد که برای حل این مشکل، در آن یک اتصال برقرار می‌کنند تا ترکیب کوارتری آمین اضافه شود که در تمامی pH‌ها کاتیونی و پایدار است. برای این کار کیتوسان را به آمین نوع چهارم تبدیل می‌کنند.

به عنوان مثالی برای عملکرد کیتوسان، مشاهده شد که رشد Escherichia coli ، در حضور بیش از 025/0% کیتوسان متوقف گشت. همچنین کیتوسان رشد Fusarium، Alternatia و Helminthosporiu را نیز متوقف نمود که همان گونه که ذکر شد گروه‌های آمینو کاتیونیک کیتوسان به گروه‌های آنیونیک این میکروارگانسیم‌ها متصل شده و رشد آن‌ها را متوقف می‌کند]38[.

میزان فعالیت ضد میکروبی کیتوسان به وزن مولکولی M_w، درجه دی استیله شدن (DD)، pH محیط آزمایش و دما بستگی دارد]39[.

• وزن مولکولی

مطالعات انجام شده حاکی است که –D گلوکز آمین هیدرو کلرید (منومر کیتوسان) در برابر رشد چندین باکتری ممانعتی نشان نمی‌دهد در حالیکه کیتوسان بر آن موثر است. لذا می‌توان فهمید که فعالیت ضد میکروبی کیتوسان تنها به دلیل طبیعت کاتیونی آن نیست بلکه طول زنجیر آن نیز موثر است. Narao&Hiaro ارتباط بین درجه پلیمریزاسیون و ممانعت در برابر رشد چندین پاتوژن را بررسی کردند. سه کیتوسان با وزن مولکولی مختلف: کیتوسان با وزن مولکولی بالا (HMW) DD}=95/0 و M_w =400000{- کیتوسان با وزن مولکولی پایین (lmw) DD} و M_w مشخص نیست{- الیگومر کیتوسان =DD}8.2{ استفاده کردند و مشاهده شد که با افزایش M_w کیتوسان، تعداد قارچ‌های در هم فرو رفته افزایش پیدا می‌کنند و قوی‌ترین افزایش ممانعت کیتوسان در LMW و ضعیف‌ترین آنها در HMW مشاهده شد. در محدوده وزن مولکولی 91600-5000=M_w با افزایش وزن مولکولی فعالیت ضد میکروبی کیتوسان افزایش می‌یابد ولی در کیتوسان‌های با وزن مولکولی بیشتر در محدوده10⁴ × 16/9  _ 10⁶× 08/1 =M_w ، با افزایش وزن مولکولی خاصیت ضدمیکروبی کاهش می‌یابد ]37[.

فعالیت ضدمیکروب کیتوسان که یک ترکیب پلی‌کاتیونی حاوی مقادیر زیادی NH₃⁺  در محلول است، به غلظت NH₂ در پلیمر بستگی دارد، در 91600 فعالیت ضد میکروب با افزایش مقدار NH₂ افزایش می‌یابد. در حالیکه در 91600 گروههای NH₂ کیتوسان ممکن است آن‌قدر زیاد باشند که یک ساختار اتصال عرضی مجازی از طریق پیوندهای هیدروژنی قوی درون مولکولی ایجاد کنند، بنابراین پلیمر دیگر قابلیت بلندتر شدن برای اتصال به سطح باکتری را ندارد ]39[.

با وجود اینکه پیدا کردن روابط دقیق بین وزن مولکولی و فعالیت ضد میکربی مشکل است اما عموماً فعالیت ضد میکربی با افزایش M_w افزایش می‌یابد و از یک M_w به بالا این فعالیت کاهش پیدا می‌کند. تفاوت مابین اطلاعات بدست آمده توسط افراد مختلف می‌تواند به دلیل اختلاف DD و توزیع‌های وزن مولکولی (MWD) کیتوسان باشد[37].

• درجه دی‌استیله کردن (DD)

فعالیت ضد میکروبی کیتوسان مستقیماً با درجه دی استیله کردن کیتوسان در ارتباط است. افزایش درجه دی استیله کردن به معنای افزایش تعداد گروه‌های آمینو روی کیتوسان است. با افزایش گروه‌های آمین پروتونه شده در شرایط اسیدی، حلالیت در آب بیشتر شده و بر هم کنش بین کیتوسان و دیواره‌های سلولی دارای بار منفی میکروارگانسیم‌ها بیشتر می شود]38[.

• pH 

فعالیت ضد میکروبی کیتوسان به شدت تحت تأثیر pH است. Tusai, Su آزمایش‌هایی در مورد فعالیت ضد میکروبی کیتوسان (98/0=DD) در برابر E.coli در مقادیر pH (9-8-7-6-5) انجام دادند. نتایج نشان داد که بیشترین فعالیت در 5=pH است. در مقادیر 9=pH خاصیت ضد میکروبی کیتوسان به مقدار کمی رسید. نتایج تحقیقات دیگری حاکی است کیتوسان در 7=pH هیچ گونه فعالیت ضدمیکروبی به دلیل دپروتونه شدن گروه‌های آمین و حلالیت ضعیف در آب خنثی ندارد.

کیتوسان یک پلی الکترولیت با 3/6=pk_a است در این شرایط NH₂ باردار است و به صورت  در می‌آید. در 3/6>pH میزان  کاهش یافته و در نتیجه میزان انحلال‌پذیری نیز کم می‌شود، که سبب کاهش فعالیت ضدمیکروب می‌گردد]39[.

در 3/6<pH ، میزان  تغییری نمی‌کند اما تعداد  افزایش می‌یابد. دو کاتیون موجود ( و ) در اتصال به شارژ منفی سطح باکتری با هم رقابت می‌کنند. اما فقط پلی‌- کاتیون (پلیمر کیتوسان که حاوی  است) می‌تواند سبب تجمع شود. در >pH 5 میزان  افزایش بیشتری پیدا کرده، بنابراین به عنوان یک عامل بازدارنده سبب کاهش سرعت تجمع می‌شود]39[.

• دما

Tusai, Su اثر دما بر روی فعالیت‌های ضد میکروبی کیتوسان را ارزیابی کردند. آنها سوسپانسیون‌های سلولی در بافر فسفات (6=pH) شامل ppm150 کیتوسان در 37 و25و 15و 4 درجه سانتیگراد برای فواصل زمانی مختلف رشد داده و سلول‌های زنده مانده در آنها را شمردند. نتایج بدست آمده نشان داد که فعالیت ضد میکروبی کیتوسان مستقیماً با دما متناسب است. در دماهای 25 و 37 درجه سانتیگراد سلول‌های E.coli در طی زمان‌های 1 و 5 ساعت کاملا از بین رفتند. محققان اینگونه نتیجه‌گیری کردند که فعالیت ضد میکروبی در اثر کاهش نرخ برهم کنش بین کیتوسان و سلول‌ها  در دماهای پایین کاهش می‌یابد ]38[.

عامل انعقاد خون (مانند عملکرد هپارین^[2])

سولفات کیتین و کیتوسان دارای فعالیت آزادسازی لیپوپروتئین لیپاز^[3] (LPL) و خاصیت انعقادی خون می‌باشد ]37[.

بهبود زخم

با توجه به بررسی‌های زیادی که از نظر بیولوژیکی بر کیتین و کیتوسان انجام شده است، مشخص گردید که کیتین و کیتوسان خواص بهبود زخم دارند[40].

در سال 2003، از کیتوسان‌های هیدرولیز شده برای اصلاح الیاف آلجینات (یا آلجینیک اسید) استفاده شد. این کار باعث بهبود خواص کششی (درصد ازدیاد طول و استحکام) الیاف موردنظر گشت و آن‌ها را برای کاربردهای پوشش زخم بسیار مناسب نمود. البته بررسی‌ها نشان داد که استفاده از کیتوسان هیدرولیز نشده در الیاف آلجینات اثر چندانی نداشت و تأثیر تقویت کنندگی از خود نشان نداد. به عنوان مثال، استحکام لیف افزایش نیافت که این نشان دهنده این است که کیتوسان بیشتر شبیه یک پوشش عمل کرده است تا اینکه عمل نفوذ کردن و تقویت کردن لیف آلجینات را انجام دهد. اما کاهش وزن مولکولی که اثر مثبتی بر روی قابلیت کیتوسان در نفوذ به لیف آلجینات دارد، نه تنها مقدار کیتوسان لیف را افزایش می‌دهد بلکه باعث تقویت کردن ساختار لیف می‌گردد. بنابراین به محض استفاده، خواض کششی را افزایش می‌دهد (در مقایسه با الیاف آلجینات/ کیتوسان هیدرولیز نشده) و همچنین دارای قابلیت امکان آزادسازی ترکیبات فعال ضدباکتری (احتمالاً قطعات کیتوسان هیدرولیز شده) می‌باشد. در واقع با افزایش میزان کیتوسان و بنابراین ایجاد فعالیت ضد باکتری مناسب، و به دست آوردن خواص فیزیکی مورد نیاز، به کار بردن این ترکیب در پوشش‌های زخم بسیار مناسب است[41].

کاربرد در مهندسی آب

حفاظت محیط زیست که در حال حاضر مسئله مهم جهانی می‌باشد، صنایع مربوطه را به توسعه تکنولوژی‌هایی متوجه می‌سازد که برای محیط زیست مسئله‌ساز نباشد[42].

کیتوسان به دلیل داشتن گروه‌های آمینی نوع اول، یک پلیمر کیلیت ساز عالی است و قابلیت جذب بسیاری از یون‌های فلزات سنگین مثل Zn(II)، Cu(II) ، Cd(II) ، AG(II) ، … را دارد؛ از این‌رو از این پلیمر به طور وسیعی در تصفیه پساب‌های صنعتی استفاده می‌شود[43].

عملیات تکمیلی کاغذ

گزارش شده است که کیتوسان می‌تواند مقاومت کاغذ را در شرایط مرطوب بالا ببرد. هیدروکسی‌متیل کیتین و دیگر مشتقات قابل حل در آب، به عنوان مواد کمکی نهایی تهیه کاغذ مفید می‌باشند. بنابراین در صنایع کاغذ از این پلیمر به منظور بهبود خواص کاغذ استفاده می‌کنند[37].

سیستم‌های آزادسازی دارو

تکنولوژی آزادسازی کنترل شده، در طول دهه 1980 به عنوان یک متد تجاری و رایج پدیدار شد. دست‌یابی به رهایش قابل پیش‌بینی و قابل تجدید یک ماده در یک محیط مشخص، در یک بازه وسیع زمانی، دارای اهمیت قابل توجهی می‌باشد. این امر باعث ایجاد یک محیط مطلوب با پاسخی بهینه، کمترین اثرات جانبی و کارایی بلند مدت می‌گردد. نوع مقدار تجویز شده رهایش کنترل شده، ایمنی، راندمان و اطمینان درمان دارویی را افزایش می‌دهد[37].

قدم بعدی، همراه کردن خاصیت قابلیت تجزیه‌پذیری زیستی در این سیستم می‌باشد. تعدادی از پلیمرهای تجزیه‌پذیر که به منظور این هدف مناسبند، شامل مواد مصنوعی و نیز طبیعی هستند. رهایش داروهای جذب شده یا به صورت کپسول درآورده شده توسط پلیمرها، مربوط می‌شود به نفوذ آهسته و قابل کنترل آن‌ها در مواد پلیمری. ارائه داروهایی که آهسته آزاد می‌شوند(SR)^[4] توسط صنایع داروسازی امروزه امری عادی است. داروها که به صورت کوالانت به پلیمرهای تجزیه‌پذیر زیستی متصل گشته‌اند و یا در یک ماتریس پلیمری این ماکرومولکول‌ها دیسپرس شده‌اند، می‌توانند توسط فرسایش یا تجزیه پلیمر آزاد گردند. مولکول‌های درمانی که با پلیمرها کمپلکس داده‌اند، همچنین می‌توانند با نفوذ از ژل‌ها آزاد شوند. کیتوسان، غیر سمی است و به راحتی قابل جذب زیستی می‌باشد و قادر به تشکیل ژل در pH پایین است. به علاوه، کیتوسان دارای فعالیت ضدترشی معده و ضد زخم معده می‌باشد که ناراحتی و سوزش معده ناشی از دارو را کاهش می‌دهد و یا به کلی مانع از آن می‌گردد. همچنین، فرمولاسیون ماتریس کیتوسانی در محیط اسیدی، به صورت شناور ظاهر می‌شود و به تدریج متورم می‌گردد. تمام این خواص کیتوسان، این پلیمر طبیعی را به یک انتخاب ایده‌آل برای فرمولاسیون رهایش کنترل شده دارو تبدیل می‌سازد[37].

Quan Wang در سال 2006 ، با بررسی خاص الیاف کیتوسان/ نشاسته و با استفاده از سالیسیلیک اسید (SA) به عنوان مدل دارویی که در غلظت‌های مختلف تهیه شده است، مشخص کرد که این الیاف در سیستم‌های آزادسازی دارو می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند[44].

کاربرد در عکاسی

کیتوسان به دلیل مقاوم بودن در برابر فرسودگی، مشخصه‌های نوری آن، و قابلیت تشکیل فیلم، کاربردهای مهمی در عکاسی دارد. ترکیبات نقره، به طور محسوسی توسط کیتوسان نگه داشته نمی‌شوند و بنابراین می‌توانند به راحتی از یک لایه به لایه دیگر یک فیلم نفوذ داده شوند[42].

کاربرد در لوازم آرایشی و بهداشتی

به منظور کاربردهای لوازم آرایشی، که معمولاً در آن اسیدهای آلی حلال‌های خوبی می‌باشند، کیتین و کیتوسان دارای خواص از بین برندگی و متوقف کنندگی قارچ‌ها هستند. کیتوسان، تنها صمغ کاتیونیک طبیعی است که هنگام خنثی شدن با اسید، لزج و غلیظ می‌شود. این ماده، در کرم‌ها، لوسیون‌ها و لوسیون‌های فرکننده دائمی مو استفاده می‌گردد و همچنین چند مشتق آن به عنوان لاک ناخن به کار می‌روند[37].

کاربرد در مهندسی بافت

کاربرد دیگر کیتوسان، در مهندسی بافت و برای تولید داربست‌های جایگزین بافت‌های آسیب دیده و یا پوست مصنوعی می‌باشد. به نقل از Ravi Kumar، Yannas و همکارانش طرحی را برای پوست مصنوعی قابل کاربرد برای استفاده بلند مدت ارائه دادند که به عنوان یک داربست تجزیه‌پذیر زیستی برای سنتز جدید پوستی عمل می‌کند. این کار نشان داد که کیتوسان، با توجه به داشتن ویژگی‌های ساختاری مشابه گلیکوزآمینو گلیکان‌ها، به منظور توسعه این لایه برای جایگزینی پوست، می تواند مناسب باشد.[37]

کیتوسان در حوزه‌های پزشکی، انعقاد خون، دارویی، تولید کاغذ، منسوجات، تصفیه پساب، بیوتکنولوژی، مواد آرایشی، صنایع غذایی و کشاورزی کاربرد دارد. اصلاح شیمیایی گروه آمینو و گروههای هیدرکسیل نوع دوم آن‌ها پیشرفت‌های جدیدی در زمینه عمل کردهای زیستی مولکولی نظیر زیست پذیری سلول، فعالیت ضد تومور و پیوندپذیری خون ایجاد کرده است]45[.

خاصیت چسبندگی زیستی و کاتیونی آن سبب کاربرد آن در محصولات محافظ مو شده است.

کیتوسانی که دارای قابلیت زیستی است به عنوان ناقل غشای سلول در سنتز مواد پیوند دهنده استخوان در پیوند ستون فقرات، ترمیم سلول‌ها و بهبود زخم به کار می‌رود. در رژیم‌های لاغری از کیتوسان برای کاهش میزان چربی و کلسترول استفاده می‌شود ]46[.

کیتوسان ویژگیهایی شبیه گلایکوزآمیون گلایسین دارد که می‌تواند برای پوست مصنوعی به کار رود [37].

کیتوسان تمام ویژگی‌های مورد نیاز برای ساخت یک لنز ایده‌آل مانند وضوح نوری، پایداری مکانیکی، تصحیح نوری کافی، نفوذپذیری گاز خصوصاً نسبت به اکسیژن، تر شدن و سازگاری ایمونولوژی را دارا می‌باشد. لنزهای تماسی ساخته شده از ذرات کیتوسان دپلیمریزه، شفاف و سخت هستند و سایر خواص فیزیکی نظیر مدول، استحکام کششی، استحکام پارگی، ازدیاد طول، آب محتوی و نفوذپذیری اکسیژن را دارند. خواص ضد میکروب و پوشش دهی زخم، فیلم با قابلیت عالی کیتوسان را به عنوان یک ماده مناسب برای تولید لنزهای زخم‌بندی چشمی معرفی می‌کند[37].

ترجمه : مهندس ملیکا کریمی

منابع :

[23]        Musarrat H. Mohammeda, Peter A. Williams , Olga Tverezovskaya. ” Extraction of chitin from prawn shells and conversion to low molecular mass chitosan.”J. Food Hydrocolloids 2013; 31: 166-171

[24]        Roberts, George AF. Chitin chemistry. Macmillan, 1992.‏

[25]        Gupta, Ajay Kumar, and Mona Gupta. “Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications.” Biomaterials 26.18 (2005): 3995-4021.‏

[26]        Yui, Toshifumi, et al. “Molecular and crystal structure of the anhydrous form of chitosan.” Macromolecules 27.26 (1994): 7601-7605.‏

[27]        Minke, R. A. M., and John Blackwell. “The structure of α-chitin.” Journal of molecular biology 120.2 (1978): 167-181.‏

[28]        Ogawa, Kozo, Toshifumi Yui, and Kenji Okuyama. “Three D structures of chitosan.” International journal of biological macromolecules 34.1 (2004): 1-8.‏

[29]        Noishiki, Yasutomo, et al. “Alkali-induced conversion of β-chitin to α-chitin.” Biomacromolecules 4.4 (2003): 896-899.‏

[30]       Crini, Gregorio, and Pierre-Marie Badot. “Application of chitosan, a natural aminopolysaccharide, for dye removal from aqueous solutions by adsorption processes using batch studies: A review of recent literature.” Progress in polymer science 33.4 (2008): 399-447.‏

[31]        Synowiecki, Józef, and Nadia Ali Al-Khateeb. “Production, properties, and some new applications of chitin and its derivatives.” (2003): 145-171.‏

[32]        Yui, Toshifumi, et al. “Conformational analysis of chitobiose and chitosan.” Biopolymers 34.2 (1994): 203-208.‏

[33]        Mourya, V. K., and Nazma N. Inamdar. “Chitosan-modifications and applications: opportunities galore.” Reactive and Functional polymers 68.6 (2008): 1013-1051.‏

[34]        Muzzarelli, R., et al. “Antimicrobial properties of N-carboxybutyl chitosan.” Antimicrobial agents and chemotherapy 34.10 (1990): 2019-2023.‏

[35]        Pillai, C. K. S., Willi Paul, and Chandra P. Sharma. “Chitin and chitosan polymers: Chemistry, solubility and fiber formation.” Progress in Polymer Science 34.7 (2009): 641-678.‏

[36]        Hirano, Shigehiro, et al. “The preparation and applications of functional fibres from crab shell chitin.” Journal of biotechnology 70.1 (1999): 373-377.‏

[37]        Ravi Kumar, Majeti NV. “A review of chitin and chitosan applications.” Reactive and functional polymers 46.1 (2000): 1-27.‏

[38]        Tsukada, M., et al. “Preparation of metal‐containing protein fibers and their antimicrobial properties.” Journal of Applied Polymer Science 89.3 (2003): 638-644.‏

[39]        Fei Liu, Xiao, et al. “Antibacterial action of chitosan and carboxymethylated chitosan.” Journal of Applied Polymer Science 79.7 (2001): 1324-1335.‏

[40]        Bhattarai, Narayan, et al. “Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility.” Biomaterials 26.31 (2005): 6176-6184.‏

[41]        Knill, C. J., et al. “Alginate fibres modified with unhydrolysed and hydrolysed chitosans for wound dressings.” Carbohydrate Polymers 55.1 (2004): 65-76.‏

[42]        Zhang, Qian, et al. “Preparation of ultra-fine polyimide fibers containing silver nanoparticles via in situ technique.” Materials Letters 61.19 (2007): 4027-4030.‏

[43]        Bhattarai, Narayan, et al. “Electrospun chitosan-based nanofibers and their cellular compatibility.” Biomaterials 26.31 (2005): 6176-6184.‏

[44]        Wang, Qun, et al. “Chitosan/starch fibers and their properties for drug controlled release.” European journal of pharmaceutics and biopharmaceutics 66.3 (2007): 398-404.‏

[45]        Fouda, Moustafa Mohamed Gaballa El-Sayed. Use of natural polysaccharides in medical textile applications. Diss. Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Chemie, 2005.‏

[46]        Masri, M. S; randall, V. G; pittman, A. G, Proc. “Chitin and Chitosan,Boston” (Cambridge: MIT, 1978)306.

[1] – Lysozyme

[2] – ماده پلی ساکاریدی که در کبد ساخته می‌شود

[3] – مواد پروتئینی که حاوی مقداری چربی هستند

[4] – Slow Release