Получение хитозан-сульфатных наночастиц в водной среде и их коллоидная защита полисахаридами

Цели. Разработать методику получения гидрозоля сернокислой соли хитозана — сульфата хитозания (СХ), исследовать влияние различных водорастворимых полисахаридов на его устойчивость во времени и при добавлении индифферентного и неиндифферентного электролитов.

Методы. В качестве полимеров, выполняющих функцию коллоидной защиты наночастиц СХ, были использованы κ-каррагинан, альгинат натрия (АН) и ксантан. Для определения вязкости растворов полимеров, их молекулярной массы и для исследования их адсорбции на СХ использовался метод капиллярной вискозиметрии. Оценка устойчивости золей во времени и при добавлении индифферентного и неиндифферентного электролитов проводилась фотометрически. Размер частиц гидрозоля определялся методом динамического светорассеяния.

Результаты. На поверхности СХ в широком диапазоне концентраций сильнее всего адсорбируется κ-каррагинан. Графики зависимости относительного изменения мутности золей с добавками различных полисахаридов от их массовой концентрации при времени жизни золей 2 суток имеют вид кривых с максимумом. Наибольшей устойчивостью во времени обладают золи с добавками 0.0125% АН и κ-каррагинана в диапазоне 0.04%. По данным динамического светорассеяния средний размер частиц свежеприготовленных золей с добавками полимеров, обеспечивших их наибольшую устойчивость во времени, составил соответственно 10.8 нм и 14.6 нм, тогда как для свежеприготовленных золей без полисахаридов — 24.8 нм. Порог коагуляции гидрозоля индифферентным электролитом (NaСl) в 9.3 раза выше порога коагуляции гидрозоля неиндифферентным электролитом (Na₂SO₄). κ-Каррагинан и АН защищают гидрозоль от коагуляции индифферентным электролитом (NaCl) при всех их использованных количествах. В то же время, при тех же концентрациях полимера защиты от коагуляции неиндифферентным электролитом (Na₂SO₄) не наблюдалось.

Выводы. Разработана методика получения гидрозоля СХ с положительным зарядом частиц. Исследована устойчивость золей СХ во времени как без добавок, так и с добавками АН, κ-каррагинана и ксантана во времени. Определены пороги коагуляции золей индифферентным и неиндифферентным электролитами, а также защитные числа от коагуляции гидрозоля этими электролитами для κ-каррагинана и АН. Для объяснения механизма устойчивости золей при определенных концентрациях водорастворимых полисахаридов использованы полученные данные по адсорбции этих полисахаридов на поверхности хитозана, обработанного раствором серной кислоты. По результатам работы можно сделать вывод, что АН и κ-каррагинан могут использоваться как эффективные стабилизаторы гидрозолей СХ во времени и для его коллоидной защиты от коагуляции хлоридом натрия.

1. Варламов В.П., Ильина А.В., Шагдарова Б.Ц., Луньков А.П., Мысякина И.С. Хитин/хитозан и его производные: фундаментальные и прикладные аспекты. Успехи биологической химии. 2020;60:317–368.

2. Скрябин К.Г., Михайлов С.Н., Варламов В.П. (ред.). Хитозан. М.: Центр «Биоинженерия» РАН; 2013. 591 с. ISBN 978-5-4253-0596-1

3. Самуйленко А.Я. (ред.). Биологически активные вещества (хитозан и его производные). Краснодар: КубГАУ; 2018. 329 с. ISBN 978-5-00097-319-6

4. Хвостов М.В., Толстикова Т.Г., Борисов С.А., Душкин А.В. Применение природных полисахаридов в фармацевтике. Биоорганическая химия. 2019;45(6):563–575. https://doi.org/10.1134/S0132342319060241

5. Garg U., Chauhan S., Nagaich U., Jain N. Current advances in chitosan nanoparticles based drug delivery and targeting. Adv. Pharm. Bull. 2019;9(2):195–204. https://doi.org/10.15171/apb.2019.023

6. Li J., Cai Ch., Li J., Li J., Li J., Sun T., Wang L., Wu H., Yu G. Chitosan-based nanomaterials for drug delivery. Molecules. 2018;23(10):2661. https://doi.org/10.3390/molecules23102661

7. Bernkop-Schnürch A., Dünnhaupt S. Chitosan-based drug delivery systems. Europ. J. Pharm. Biopharm. 2012;81(3):463–469. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2012.04.007

8. Hasnain M.S., Sarwar B., Nayak A.K. (Eds.). Chitosan in drug delivery. USA: Academic Press (Elsevier); 2021. 556 p. ISBN 978 0128-1933-65

9. Parhi R. Drug delivery applications of chitin and chitosan: a review. Environ. Chem. Lett. 2020;18(2):577–594. https://doi.org/10.1007/s10311-020-00963-5

10. Mikušová V., Mikuš P. Advances in chitosan-based nanoparticles for drug delivery. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(17):9652. https://doi.org/10.3390/ijms22179652

11. Ghosh R., Mondal S., Mukherjee D., Adhikari A., Saleh A.A., Alsantali I., Khder A.S., Altass H.M., Moussa Z., Das R., Bhattacharyya M., Pal S.K. Oral drug delivery using a polymeric nanocarrier: chitosan nanoparticles in the delivery of rifampicin. Mater. Adv. 2022;3(11):4622–4628. https://doi.org/10.1039/D2MA00295G

12. Radha D., Lal J.S., Devaky K.S. Chitosan‐based films in drug delivery applications. Starch-Starke. 2022;74(7–8):2100237. https://doi.org/10.1002/star.202100237

13. Herdiana Y., Wathoni N., Shamsuddin Sh., Muchtaridi M. Drug release study of the chitosan-based nanoparticles. Heliyon. 2022;8(1):e08674. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e08674

14. Лау А.К.-Т., Хуссейн Ф., Дафди Х. (ред.). Нанои биокомпозиты: пер. с англ. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний; 2020. 390 с. ISBN 978 00101-727-1

15. Munawar A.M., Syeda J.T.M., Wasan K.M., Wasan E.K. An overview of chitosan nanoparticles and its application in non-parenteral drug delivery. Pharmaceutichs. 2017;9(4):53. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics9040053

16. Азимов Ж.Т., Оксенгендлер Б.Л., Тураева Н.Н., Рашидова С.Ш. Влияние строения биополимера хитозана на его бактерицидную активность. Высокомол. соединения. Сер. А. 2013;55(2);165–169. https://doi.org/10.7868/S0507547513020025

17. Критченков А.С.., Andranovitš S., Скорик Ю.А. Хитозан и его производные: векторы в генной терапии. Успехи химии. 2017.86(3):231–239.

18. Повернов П.А., Шибряева Л.С., Люсова Л.Р., Попов А.А. Современные полимерные композиционные материалы для костной хирургии: проблемы и перспективы. Тонкие химические технологии. 2022;17(6):514–536. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-6-514-536

19. Лыкошин Д.Д., Зайцев В.В., Костромина М.А., Есипов Р.С. Остеопластические материалы нового поколения на основе биологических и синтетических матриксов. Тонкие химические технологии. 2021;16(1):36–54. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2021-16-1-36-54

20. Игнатьева П.Е., Жаворонок Е.С., Легонькова О.А., Кедик С.А. Композиции на основе водных растворов хитозана и глутарового альдегида для эмболизации кровеносных сосудов. Тонкие химические технологии. 2019;14(1):25–31. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-1-25-31

21. Al-Remawi M.M. Properties of chitosan nanoparticles formed using sulfate anions as crosslinking bridges. Am. J. Applied Sci. 2012;9(7):1091–1100. https://doi.org/10.3844/AJASSP.2012.1091.1100

22. Мезина Е.А., Липатова И.М. Исследование процесса образования дисперсной фазы в смешанных растворах хитозана и сульфата магния. Журнал прикладной химии. 2014;87(6):821–827.

23. Мезина Е.А., Липатова И.М. Влияние пероксидной деполимеризации хитозана на свойства получаемых из него хитозан-сульфатных наночастиц. Журнал прикладной химии. 2015;88(10):1390–1395.

24. Гордиенко М.Г., Сомов Т.Н., Юсупова Ю.С., Чупикова Н.И., Меньшуткина Н.В. Получение микрочастиц из биодеградируемых природных и синтетических полимеров для применения их в области регенеративной медицины. Тонкие химические технологии. 2015;10(5):66–76.

25. Zhang С., Zhang H., Li R., Xing Y. Morphology and adsorption properties of chitosan sulfate salt microspheres prepared by a microwave-assisted method. RSC Adv. 2017;7(76): 48189–48198. https://doi.org/10.1039/C7RA09867G

26. Апрятина К.В., Мочалова А.Е., Грачева Т.А., Кузьмичева Т.А., Смирнова О.Н., Смирнова Л.А. Влияние молекулярной массы хитозана на размерные характеристики наночастиц серебра. Высокомол. соединения. Сер. Б. 2015;57(2):154–158. https://doi.org/10.7868/S2308113915020011

27. Тюкова И.С., Сафронов А.П., Котельникова А.П., Аглакова Д.Ю. Роль электростатического и стерического механизмов стабилизации хитозаном золей наночастиц оксида железа. Высокомол. соединения. Сер. А. 2014;56(4): 419–426. https://doi.org/10.7868/S2308112014040178

28. Бочек А.М., Вохидова Н.Р., Сапрыкина Н.Н., Ашуров Н.Ш., Югай С.М., Рашидова С.Ш. Свойства растворов смесей хитозана с наночастицами кобальта и композитных пленок на их основе. Высокомол. соединения. Сер. А. 2015;57(4):354–360. https://doi.org/10.7868/S2308112015040033

29. Wilson B.K., Prud’homme R.K. Processing chitosan for preparing chitosan-functionalized nanoparticles by polyelectrolyte adsorption. Langmuir. 2021;37(28):8517–8524. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00990

30. Czechowska-Biskup R., Jarosińska D., Rokita B., et al. Determination of degree of deacetylation of chitosan – Comparison of methods. Progress on Chemistry and Application of Chitin and its Derivatives. 2012;17:5–20.

31. Wang W., Bo Sh., Li S., Qin W. Detrmination of the Mark– Houwink equation for chitosans with different degrees of deacetylation. Int. J. Biol. Macromol. 1991;13(5):281–285. https://doi.org/10.1016/0141-8130(91)90027-R

32. Belalia F., Djelali N.-E. Rheological properties of sodium alginate solutions. Revue Roumaine de Chimie. 2014;59(2):135–145.

33. Distantina S., Wiratni, Fahrurrozi M., Rochmadi. Carrageenan properties extracted from Eucheuma cottonii, Indonesia. Int. J. Chem. Mol. Eng. 2011;5(6):501–505.

34. Masuelli M.A. Mark–Houwink parameters for aqueoussoluble polymers and biopolymers at various temperatures. J. Polymer Biopolymer Phys. Chem. 2014;2(2):37–43.