Курсовая работа по материаловедению на тему Волокнистые материалы на основе хитина и хитозана: получение, свойства, перспективные области применения

ВВЕДЕНИЕ

Приведенный в данной работе анализ публикаций подтверждает важ-ность как продолжения фундаментальных исследований, направленных на расширение представлений о распространении хитина и хитозана в природе, их участии и роли в глобальных биосферных циклах, так и перспективность расширения прикладных исследований, нацеленных на использование хити-на, хитозана и их производных в различных сферах человеческой деятельно-сти. Основное внимание в обзоре уделено фунгицидной, бактерицидной и ан-тиоксидантной активностям различных производных хитозана. Наличие в молекуле полимера первичной аминогруппы позволяет осуществлять широ-кий спектр химических модификаций, изменяющих его свойства в различных направлениях с изменением растворимости, заряда, гидрофобности, хелат-ных, радиопротекторных и других свойств. Крайне важным моментом в расширении использования хитозана и его производных является дальней-шее развитие аналитической базы, создание валидированных методик опре-деления основных физико-химических характеристик и получение разреши-тельной документации.
Целью курсовой работы является изучение волокнистых материалов на основе хитина и хитозана.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить ряд задач, таких как:
 рассмотреть структуру и физико-химические характеристики хитина и хитозана;
 раскрыть микробный синтез хитина;
 охарактеризовать механизм гидролиза полимеров микроорганизма-ми;
 изложить получение волокнистых материалов из хитозана;
 проанализировать применение волокон на основе хитозана.
Объектом исследования являются волокна хитина и хитозана, предме-том – особенности их получения и применения.
Структура работы обусловлена целью и задачами исследования. Кур-совая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использо-ванных источников.

1 Теоретические аспекты хитозана и хитина как современные биопо-лимеры

1.1 Структура и физико-химические характеристики хитина и хитоза-на
Химическая формула хитина была открыта в 1811 году при исследова-нии состава грибов директором ботанического сада Нанси, профессором естественной истории Анри Браконно. Позже, в 1823 году, хитин был выде-лен из внешнего скелета членистоногих французским ученым Андре Одье. Именно он и назвал это вещество хитином (от греч. Chiton: хитон - одежда, кожа, оболочка). Его перспективность была обнаружена благодаря замеча-тельному открытию еще одного француза - профессора Шарля Руже, кото-рый в 1859 году, при нагревании хитина с концентрированным едким кали-ем, получил продукт, отличающийся рядом интересных свойств. В 1894 году это вещество получило название хитозан, данное ему немецким биохимиком Эрнст Хоппе-Зейлер. На протяжении следующего столетия было проведено множество фундаментальных исследований этих соединений. Повышенный интерес к этим веществам возник в 30-е годы и в начале 40-х годов XX века, однако дефицит соответствующих производственных мощностей и конкурен-ция со стороны синтетических полимеров помешали коммерческому приме-нению хитина и хитозана. Вновь возникшему интересу в 70-е годы способ-ствовала необходимость лучшего использовании раковин моллюсков (отхо-дов рыбопереработки). Учёные по всему миру стали отмечать удивительные свойства хитина и его производных, и разбираться в потенциале этих при-родных полимеров.
В Советском союзе в начале 70-х годов ХХ века, в Институте высоко-молекулярных соединений АН СССР проводились систематические исследо-вания хитина, хитозана и их производных. Изучалось их воздействие на ор-ганизм и возможность применения для лечения различных заболеваний. Первоначально эти разработки использовали только в промышленных це-лях. Практически сразу этот проект стал полностью закрытым не только в Советском союзе, но и во всем мире, по линии оборонных ведомств. Хитоза-ну - присвоили стратегический статус ввиду его беспрецедентных радиопро-текторных свойств. Оказалось, что он практически полностью способен свя-зывать в организме свободные радикалы, образующиеся под воздействием радиации. Позже выяснилось, что хитозан отсорбирует любые яды и токси-ны. В армии солдаты получили в свои индивидуальные аптечки специальные хитозановые таблетки на случай ядерного удара противника. Но самое ши-рокое и выдающееся применение хитозан получил при утилизации ядерного топлива, как в оборонной, так и мирной промышленности. Отслужившие свой срок ядерные отходы и ракетное топливо надежно герметизировали в специальных капсулах, залитых хитозановым гелем. Примерно с 90-х годов прошлого века хитозан стал широко использоваться в медицине и пищевой промышленности, главным образом, как средство для похудения, снижения уровня холестерина и дезинтоксикации. Появились первые косметические формулы для омоложения кожи. Этот полимер оказался идеальным эмульга-тором, увлажнителем, антистатическим и пленкообразующим компонентом косметических средств.
Хитин - жёсткое полупрозрачное, нерастворимое в воде природное со-единение из группы азотсодержащих полисахаридов. Хитин не встречается в природе в чистом виде и не поддается выделению напрямую. Для его полу-чения необходимо последовательно отделить белковую и минеральную со-ставляющие, то есть перевести их в растворимое состояние и удалить. Хитин разрушается (гидролизуется) при нагревании с концентрированными рас-творами минеральных кислот. В результате дезацетилирования удаляется атом ацила (карбоновое соединение, цементирующие хитин) и из каменисто-го состояния он превращается в гелеобразное, растворимое вещество - Хитозан. Такая модификация хитина является самой перспективной, по-скольку взамен ацетильной образуется аминогруппа. Ну а такая группа - настоящая мечта химика! Она не только придает полимеру растворимость, но и делает возможными различные химические превращения. «Разрезая» полимерную цепь с помощью ферментов или кислот, хитозан можно превра-тить в настоящий конструктор «Лего», где каждый сможет смастерить поли-мер «на свой вкус и цвет». Благодаря этому, горизонты использования хити-на и хитозана безграничны, в самых различных областях. В биотехнологии; пищевой, рыбной, рыбоперерабатывающей, косметической, фармацевтиче-ской, химической и оборонной промышленности; меховой, бумажной, тек-стильной отраслях; сельском хозяйстве; для очистки воды; для создания рас-творимого высокопрочного шовного материала и имплантатов; создании ис-кусственной кожи; пластырей, мазей для заживления ран; изготовлении кон-тактных линз и искусственного хрусталика; трансдермальных систем до-ставки биологически активных веществ; инкапсулирования лекарственных средств; биоразлагаемой упаковки и многое, многое другое.
Знал ли Браконно в начале XIX столетия, что вещество, выделенное им из клеточной стенки грибов, приобретёт небывалую популярность спустя два столетия? В наши дни интерес к хитозану огромен, из-за необъятных воз-можностей для получения широкого спектра продуктов (путем органическо-го синтеза), способных ответить на многие вызовы будущего.
Хитозан имеет уникальную структуру, крайне редкую для полисахари-дов. Молекула хитозана содержит большое количество свободных водород-ных связей и положительно заряженных аминогрупп. Благодаря этой осо-бенности хитозан способен прочно удерживать в своей структуре большое количество растворенных и взвешенных в нем веществ, что делает его уни-версальным и высокоэффективным сорбентом. Хитозан безвреден, не токси-чен, экологически чист, может длительно применяться по всем направлениям, способен к биодеградации и имеет неограниченную воспроизводимую сырь-евую базу. Количество хитина, которое ежегодно синтезируется в природе, исчисляется сотнями миллиардов тонн.
На сегодняшний день основным сырьем для производства хитозана служат отходы промышленной переработки различных видов ракообраз-ных, прежде всего креветок, крабов и лангуст. Их панцири и оболочки со-держат в среднем 25% хитина. Технология переработки панцирей ракооб-разных, очень трудоемка, включает постадийное удаление сопутствующих веществ с использованием химических и ферментативных способов обработ-ки.
В нашей стране хитин и хитозан производят из панциря дальневосточ-ных крабов. Объемы этого производства ограничены объемами вылова. Кроме того, панцири крабов достаточно дорогостоящее сырьё. Необходимо было найти более дешевый альтернативный источник природного хитина. В качестве альтернативы рассматривались мелкие ракообразные (гаммариды и талетриды) и насекомые. Одомашненные и поддающиеся разведению насе-комые в силу своего быстрого воспроизводства могут обеспечить большую биомассу, содержащую хитин. К таким насекомым относятся тутовый шел-копряд, медоносная пчела и комнатная муха.
Идея создания и выделения хитина из подмора пчёл принадлежит Пре-зиденту и Основателю Компании "Тенториум" Раилю Хисматуллину. Пчели-ный подмор - это то, что всегда мешало пчеловоду работать. «Кто нам ме-шает, тот нам и поможет!». Подмор дает прекрасный продукт, в котором со-держится хитин. Почему бы его не использовать? На основе своей научно-исследовательской базы в 2002 году «Тенториум» открыл и запатентовал новый продукт с уникальными свойствами - пчелиный хитозан или «Апизан». Низкомолекулярный хитозан-меланиновый комплекс отмечен серебряной медалью выставки «Апи-Экспо-2001» в г. Дурбане (ЮАР) как новый продукт пчеловодства.
Хитин и хитозан являются линейными полисахаридами, состоящими из различного количества 2-амино-2-дезокси-β-D-глюкозы (глюкозамин) и его N-ацетилированного производного в пиранозной форме и связанных 1‒4 гликозидными связями. В выделенном из природных источников хитине, как правило, содержится 5‒10% остатков 2-амино-2-дезокси-β-D-глюкозы.
Дальнейшее дезацетилирование хитина обычно осуществляют в жест-ких щелочных условиях, при этом происходит его частичная деполимериза-ция. Проведение дезацетилирования в мягких условиях (с помощью фермен-тов или при низких температурах) позволяет получать хитозан с более высо-кой молекулярной массой. В настоящее время отсутствует общепринятое определение хитозана и хитина в зависимости от содержания N-ацетильных групп. При практическом использовании производных хитозана, вне зави-симости от направления (доставка лекарств, биоматериалы, биопестициды, иммунология и т.д.), важным моментом является знание их основных харак-теристик и контроль этих параметров в ходе использования. К таким харак-теристикам относятся три основные: молекулярная масса (ММ), степень дез-ацетилирования (СД), индекс полидисперсности (Ip), который представляет собой отношение средневесового молекулярного веса (Мw) к среднечисло-вому молекулярному весу (Мn). При использовании производных хитозана в медицине необходимо контролировать еще ряд параметров: содержание тя-желых металлов, радионуклидов, остаточного белка, наличие бактерий и дрожжей, эндотоксинов, аллергенов и других примесей [11].
ММ хитозана обычно варьирует от 100 кДа до 2000 кДа. Наиболее распространенным методом определения т.н. характеристической (средне-вязкостной) ММ является вискозиметрия. Эксперименты проводятся с помо-щью набора вискозиметров, с последующим расчетом ММ по уравнению Марка‒Куна‒Хаувинка [3]. Одним из эффективных методов определения среднечисловой (Mn ) и средневесовой ММ (Мw) и, соответственно, степени полидисперсности хитозана (Ip = Mw/Mn ) является гель-проникающая хро-матография [3]. Этот метод особенно удобен для анализа низкомолекуляр-ных хитозанов с ММ менее 200 кДа. Следует упомянуть также MALDI-TOF масс-спектрометрию, которая дает наиболее точные данные по молекуляр-ным массам хитозана, особенно в случае низкомолекулярных образцов от 700 до 20000 Да [4].
Второй важной характеристикой хитозана является СД, показывающая процент свободных аминогрупп в полимере. Обычно этот анализ проводится кондуктометрическим титрованием или потенциометрическим титрованием [6], а также с использованием ИКспектроскопии [7] и ЯМР-спектроскопии [8].
К сожалению, в настоящее время отсутствуют общепринятые опреде-ленные стандарты и валидированные методики определения основных ха-рактеристик хитозана, что приводит к большим ошибкам при сопоставлении результатов, полученных в различных лабораториях. Решение этих проблем позволит расширить применения хитозана во многих сферах человеческой деятельности, включая медицину. Как правило, в практике используют низ-комолекулярные производные хитозана, полученные путем химического или ферментативного гидролиза. В первом случае применяют различные кисло-ты: соляная, азотная, азотистая и др. [1], во втором ‒ как специфические ферменты (хитиназы и хитозаназы), так и неспецифические (лизоцим, амила-за, целлюлаза, липаза, папаин и др.) [2]. Следует упомянуть также метод окислительной деполимеризации хитозана с помощью перекиси водорода [5] и гидролиз хитина и хитозана в низкотемпературной плазме [6]. Все эти ме-тоды имеют определенные преимущества и недостатки, поэтому при выборе конкретного способа деполимеризации следует исходить из свойств требуе-мого продукта и сферы его предполагаемого использования [3]. Следует также отметить широкие перспективы для практического применения хито-зана в медицине, связанного с возможностью образования наночастиц раз-личного строения [8].
Хитин и хитозан, как и другие углерод- и азотсодержащие соединения, вовлечены в глобальные циклы этих элементов в природе. Выше упомина-лось, что хитин в природе имеет три основных источника: панцирь ракооб-разных, кутикула насекомых и клеточная стенка мицелиальных грибов, где выполняет, в основном, опорную функцию. Обычно он встречается в ком-плексе с другими веществами и является вторым по распространенности биополимером после целлюлозы [3]. В панцире ракообразных он связан с белками и кальцием [2], кутикула насекомых состоит из хитин-меланинового комплекса [3]. В клеточной стенке грибов хитин находится, в основном, в комплексе с β-1–3 глюканом и является основным структурным полисахари-дом гиф мицелия [4]. Клеточные стенки зигомицетовых грибов содержат как хитин, так и хитозан, который образуется под действием хитиндезацетилаз (КФ 3.2.1.52).