بخشی از مقاله
ویژگی ها و کاربردهای کیتین و کیتوسان
چکیده
کیتین و کیتوسان به عنوان فراوان ترین آمینو پلی ساکاریدها در طبیعت، دارای خصوصیاتی از جمله سازگاری زیستی بالا، سمیت پایین، زیست تخریب پذیری و خواص ضد میکروبی قابل قبول هستند. این خصوصیات منحصر به فرد، موجب شد تا کیتین و کیتوسان توجه زیادی را نه تنها از نظر فراوانی در منابع طبیعی بلکه به دلیل پتانسیل بالا، جهت تهیه مواد کاربردی، به طرف خود معطوف کنند.
پیشرفت های گسترده ای در بهبود خواص آنها به منظور استفاده در مهندسی بافت، ترمیم زخمها و سیستم های انتقال و رهایش دارو حاصل شده است. این مقاله تلاش می کند که یک چشم انداز کلی از خصوصیات و کاربردهای صنعتی و پزشکی و سنتز مواد آلی از این بیوپلیمرها را نشان دهد.
کلمات کلیدی : کیتین ، کیتوسان ، بیوپلیمر ، دیتیوکاربامات
مقدمه
کیتین فراوان ترین بیوپلیمرها بعد از سلولز می باشد . کیتین یک پلی ساکارید طبیعی است و به طور برجسته در پوسته سخت پوستانی مثل خرچنگ و میگو ، کوتیکول حشرات و دیواره سلولی قارچ ها یافت می شود . تاریخچه کیتین و کیتوسان به قرن 19 برمی گردد . برای اولین بار در سال 1811 یک دانشمند فرانسوی به نام براکونوت ( ( Braconnot کیتین را از قارچ استخراج کرد . سپس روگت ( ( Rouget در سال 1859 کیتوسان را از فرآیند استیل زدایی بازی کیتین در حضور هیدروکسید پتاسیم به دست آورد و در نهایت در سال 1950 ساختار آن به طور کامل کشف شد ( Khor, . ( 2001 کیتین و کیتوسان به عنوان یک آمینو پلی ساکارید طبیعی که دارای ساختمان بی نظیر و خصوصیاتی چند منظوره هستند به طور وسیعی در پزشکی و صنعت مورد استفاده قرار می گیرند . از جمله خصوصیات بارز آنها می توان به سازگاری زیستی بالا ، زیست تخریب پذیری قابل قبول در کنار سمیت پایین ، همچنین خواص آنتی باکتریال و ضد حساسیت آنها اشاره کرد ( ; Jayakumar et al., 2007 ; Rinaudo, 2008 ; Mourya and Inamdar , 2008 . ( kurita , 2006 ; Hirano , 1999 ; Kurita , 1998
ساختار کیتین و کیتوسان
سلولز و کیتین هر دو پلی ساکاریدهایی هستند که نقش حفاظتی را به ترتیب برای گیاهان و جانوران ایفا می کنند به طوری که گیاهان سلولز را در دیواره سلولی و حشرات و سخت پوستان کیتین را در پوسته خود تولید می کنند ( . ( Muzzarelii , 1986 ساختارهای سلولز و کیتین شباهت بسیار زیادی با یکدیگر دارند ، در سلولز گروههای هیدروکسی در موقعیت کربن شماره 2 با گروههای استامید جایگزین شده و در مورد کیتوسان گروههای آمین جایگزین گروههای هیدروکسی در سلولز شده اند .
شکل . 1 ساختار گلوکز ( واحد مونومری از سلولز ) ، - N استیل - گلوکزآمین ( واحد مونومری از کیتین ) و گلوکزآمین ( واحد مونومری از کیتوسان )
شکل 2 ساختار شیمیایی کیتون و کتوسان را نشان میدهد .
کیتوسان مشتقی از کیتین است . تعداد گروههای استیل موجود روی زنجیرپلیمر ، تفاوت بین این در پلیمر را مشخص می کند ( شکل . ( 2 پلیمری که 100 درصد گروههای آمین آن استیل دار شده باشد را کیتین و پلیمری بدون گروههای آمید 100 ) درصد گروه آمین ) را کیتوسان می نامند . به طور قراردادی وجود 50 درصد گروههای آمیدی به عنوان مرز بین کیتین و کیتوسان در نظر گرفته می شود . یعنی پلیمر با درجه استیل زدایی ( ( degree of deacetylation , DD کمتر از 50 درصد را کیتین و DD بیش از 50 درصد را کیتوسان می نامند .
کیتین در طبیعت معمولا به حالت کمپلکس با دیگر پلی ساکاریدها و پروتئین ها دیده می شود ( Spindler et al., 2003) این پلیمر طبیعی بسیار شبیه موکوپلی ساکاریدهایی نظیر هپارین و هیالورونیک اسید با تحمل بیولوژیکی زیاد
است و در حالت جامد دارای سه شکل متفاوت است که با طبقه بندی می شود Aranaz . ( et al., 2009 درصد فراوانی - کیتین در طبیعت از دو حالت دیگر بیشتر است . - کیتین در دیواره سلولی قارچ ها و پوسته سخت پوستانی چون میگو و خرچنگ و کیتین از دیاتومه ها و بازوهای ماهی مرکب استخراج می شوند . - کیتین که درصد اندکی در طبیعت وجود دارد به صورت ترکیبی از - کیتین شناخته شده است . جهت گیری متفاوت زنجیرهای پلیمری باعث بروز چنین اختلافی در کیتین ها شده است ، به طوریکه گروههای استیل با ایجاد پیوند
هیدروژنی درون زنجیره ای و برون زنجیره ای بین گروههای استیل کربن شماره 2 و گروههای هیدروکسی موجود در پلیمر ، نقش مهمی در این شکل گیری ایفا می کنند . اگر جهت گیری تمام زنجیرهای پلیمری در یک راستا باشند آن را به اصطلاح - کیتین می نامند . در این حالت زنجیره ها می توانند علاوه بر پیوندهای هیدروژنی درون زنجیره ای ، پیوندهای هیدروژنی برون زنجیره ای نیز داشته باشند و باعث افزایش استحکام ساختار شوند . ولی در مورد کیتین جهت گیری زنجیره ها فقط اجازه تشکیل پیوندهای هیدروژنی درون زنجیره ای را می دهد . در مورد - کیتین جهت گیری زنجیره ها به صورت تصادفی است ( ) ( Khor , 2001 ; Pillai et al., 2009 شکل . ( 3 پیوندهای درون مولکولی کیتین ضعیف تر از نوع می باشد . به همین دلیل کیتین قابلیت انحلال بیشتری از نوع دارد .
شکل . 2 ساختار بیوپلیمرهای کیتین و کیتوسان
خصوصیات کیتین و کیتوسان
بیشتر پلی ساکاریدهای موجود در طبیعت از جمله سلولز ، دکسترین ( dextran) ، پکتین ، آلجینیک اسید ، آگار ( agar) ، آگاروز ( agarose ) و کاراجینان به صورت خنثی و اسیدی می باشند ، در حالی که کیتین و کیتوسان به صورت بازی در طبیعت موجود است . وجود همین خصوصیت منحصر به فرد است که آنها را قادر می سازد تا به صورت شیمیایی با چربیها ، کلسترول ، پروتئین ها ، DNA ،RNA و یون های فلزی پیوند تشکیل دهند . کیتین به دلیل خاصیت چربی دوستی بالا در آب و بسیاری از حلالهای آلی نامحلول است و کیتوسان نیز در محلول های اسیدهای رقیق در Ph < 6 قابل حل است .
الف ) خصوصیات شیمی و فیزیکی کیتین و کیتوسان صلی ترین پارامترهایی که تاثیر مستقیم بر خواص کیتین و کیتوسان دارند عبارتند از وزن مولکولی ، درجه استیل زدایی degree of deacetyaltion , DD و میزان بلورینگی Crystallinity. اما برای کاربردهای انسانی از جمله صنایع غذایی و پزشکی علاوه بر موارد بالا ، درصد خلوص ( محتوای خاکستر تولید شده ) ، میزان رطوبت ، محتوای فلزات سنگین و میزان پروتئین آنها نیز تعیین می شود ( Li et al., 1992 ; Baxter . ( et al., 1992 ; Tharanthan and Kitur , 2003 در جدول 2 به طور خلاصه روشهایی برای تعیین خصوصیات کیتین و کیتوسان آورده شده است . باید به این نکته توجه داشت که کاربرد روشهای متفاوت باعث بروز نتایج متفاوتی می شود بنابراین مشخص کردن روش شناسایی از اهمیت زیادی برخوردار است . امروزه در بازار ، معمولا درجه استیل زدایی و وزن مولکولی کیتین و کیتوسان مشخص می شود .
ب ) خصوصیات بیولوژیکی کیتین و کیتوسان کیتین و کیتوسان توجه زیادی را به خصوص در زمینه صنایع پزشکی و دارویی به خود جلب کرده اند . از مهمترین خصوصیاتی که آنها را مناسب این کاربردها کرده است می توان به سازگاری زیستی بالا ، زیست تخریب پذیری و غیرسمی بودن آنها اشاره کرد . علاوه بر این موارد ، خصوصیات بیولوژیکی چون چسبندگی زیستی ، ضد سرطان ، ضد میکروب ، کاهش دهنده التهاب و درد ، آنتی اکسیدان ، منعقد کننده خون و کاهش دهنده کلسترول ، آنها را از دیگر پلیمرهای زیستی متمایز کرده است . ( Koide , 1998 ; Kumar et al., 2004 ) بیش از یک دهه است که از آنها به عنوان یک ترکیب بی خطر در فرمولاسیون داروها استفاده می شود ، همچنین به دلیل خاصیت چسبندگی که دارد می تواند به عنوان ماده موثر در اتصال بافت های سخت و نرم هم به کار رود ( . ( Felt et al., 1998 فیلمهای تهیه شده از کیتوسان با درجه پایین از استیل زدایی برای بهبود زخم بسیار مناسب هستند . آنها به سطح بافت چسبیده و باعث افزایش کراتینوساید شده و به دنبال آن تولید بافت جلدی می کنند ( . ( Chatelet et al., 2001 جدول 3 به طور خلاصه رابطه بین ساختار و خواص کیتین و کیتوسان را نشان می دهد . درک صحیح از ساختار کیتین و کیتوسان می تواند کمک زیادی در کنترل خواص این گونه از بیوپلیمرها به ما بدهد . به عنوان مثال کنترل سرعت تخریب پذیری کیتین و کیتوسان بسته به کاربرد و نوع استفاده آنها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است . سرعت تخریب پذیری آنها با کاهش درجه استیل زدایی ( DD) و کاهش طول زنجیره پلیمر ( Mw) ، افزایش می یابد . برعکس ، چسبندگی زیستی بیوپلیمرها با افزایش درجه استیل زدایی ( ( DD و افزایش طول زنجیره پلیمر ( ( Mw ، زیاد می شود که دلیل آن را می توان افزایش برهمکنش گروههای آمین کیتوسان با سلول دانست .
کاربردهای کیتین و کیتوسان
حلالیت پایین کیتین ، مهمترین عامل محدود کننده مصرف این بیوپلیمر محسوب می شود . علیرغم این محدودیت ، تاکنون کاربردهای زیادی از کیتین و مشتقاتش گزارش شده است ( . ( Rathke and Hodson , 1994 از اینرو کیتوسان به دلیل وجود گروههای آمین آزاد در طول زنجیره پلیمر و توانایی تشکیل کیلیت و حلالیت خوب در اسیدهای ضعیفی چون اسید استیک ، جایگاه مناسبی را در بین پلی ساکاریدها به خود اختصاص داده است . الیاف ساخته شده از کیتین و کیتوسان برای تهیه نخ های بخیه قابل جذب و همچنین تهیه پارچه هایی جهت بهبود زخم بسیار موثر هستند ( . ( Hudson and Smith , 1998 ادعا شده است که پارچه های تهیه شده از این الیاف می توانند برای تصفیه فاضلابها از یون های فلزات سنگین مورد استفاده قرار گیرند ( . ( Ravi Kumar et al., 1998 کیتین و کیتوسان به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی بسیار مناسب و همچنین خواص زیستی منحصر به فرد در صنعت و پزشکی جایگاه بسیار خوبی نسبت به دیگر پلی ساکاریدها پیدا کرده اند که در ادامه به بعضی از موارد استفاده آها اشاره می شود .
کاربردهای کیتوسان در صنعت و بیوپزشکی
کیتوسان به دلیل ماهیت پلی کاتیونی می تواند به عنوان یک عامل لخته کننده عمل کند و همچنین می تواند به عنوان یک کیلیت کننده ، یونهای فلزات سنگین را به دام بیندازد . ولتروسکی و همکارانش توانستند با استفاده از مشتقات کیتوسان در یک محیط اسیدی یونهای فلزی را از فاضلاب خارج کنند ( . ( Weltroswki et al., 1996 همچنین در سال 2008 گزارش کاملی از استفاده از کیتوسان برای حذف رنگ از محلولهای آبی منتشر شده است ( Crini and . ( Badot , 2008 کیتوسان می تواند به طور کامل با رزین ها ترکیب شده و برای به دام انداختن فلزات سنگین در آب به کار رود . کیتین نیز می تواند برای حذف مواد رادیواکتیو در فاضلابهای حاوی یونهای اورانیوم ( Schleuter et al., ( 2013 و همچنین آبهای دارای استات جیوه مورد استفاده قرار گیرد ( . ( Jeon and Holl , 2003 مخلوطی از کیتین و کیتوسان برای جذب آرسنیک از آبهای آشامیدنی به کار رفته است ( . ( Elson et al., 1980 حتی نسل جدیدی از غشاهای کیتین و کیتوسان ساخته شده اند که کاربرد زیادی در دستگاههای دیالیز ، همودیالیز ، اسمز ، اسمز معکوس دارند و برای خالص کردن آب استفاده می شوند . زیست تخریب پذیری و سازگاری بالای آن با محیط زیست باعث شده است که از کیتین و کیتوسان در صنایع بسته بندی و همچنین کاغذهای قابل بازیافت استفاده شود . کیتوسان به دلیل شباهت زیاد ساختاری با سلولز می تواند به راحتی در ارخانه های کاغذسازی استفاده شود . کاغذهای تولیدی از کیتوسان دارای سطح صاف و مقاومت بالا در برابر رطوبت هستند که بسیار برای چاپ و نقاشی مناسب می باشند . همچنین به دلیل پیوندهای هیدروژنی بین زنجیرهای پلیمر ، کاغذ قابل انعطاف و محکم بوده و در مقابل پارگی مقاومت می کند . علاوه بر این کیتوسان به دلیل خاصیت ضد میکروبی ، در صنایع بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود ( . ( Khwaldia et al., 2010
الیاف های طبیعی چون سلولز و پروتئین ، نسبت به الیاف های ساخته دست بشر ، در برابر باکتریها آسیب پذیر هستند . از اینرو استفاده از عوامل ضدباکتری برای جلوگیری یا به تاخیر انداختن رشد باکتری ، بسیار ضروری و به عنوان یک اصل استاندارد در تهیه منسوجات ، از اهمیت بالایی برخوردار است . با این حال ، نگرانی عمومی از ساختارشیمیایی و سمی این عوامل ضدباکتری و تاثیری که بر محیط زیست و موجودات زنده دارند و نیز کارآیی و دوام پایین ، کاربردشان را محدود کرده است ( . ( Ye et al., 2005 در نتیجه کیتوسان به عنوان یک بیوپلیمر طبیعی غیرسمی ، زیست تخریب پذیر و سازگار با محیط زیست گزینه مناسبی برای استفاده در صنایع نساجی است و علاوه بر این ، خاصیت ضد باکتری این نمونه از الیاف ها موجب شده که امروزه از آنها در لباسهای ورزشی ، البسه خانم ها ، کودکان و لباسهای ظریف ، زیبا ، ضدبو و ضد حساسیت استفاده شود ( . ( Kenawy et al., 2007
معمولا اسیدهای آلی به عنوان یک حلال مناسب در مواد آرایشی و بهداشتی به کار می روند . یک پلی آمینوساکارید مثل کیتوسان می تواند به راحتی در محیط های خنثی و اسیدی به صورت ژل درآید. ولی برخلاف اکثر هیدروژل هایی که خاصیت آنیونی دارند ، کیتوسان خاصیت کاتیونی دارد. همین ویژگی سبب می شود که به عنوان یک محافظ پوست و مو به کار می
