Хитин из крабовых панцирей может стать источником для получения модифицированного хитозана, используемого в современных биомедицинских технологиях.

От 50 до 70% веса всех выловленных в мире крабов –  их панцири и другие побочные продукты. Как правило, такие отходы уничтожают, что требует дополнительных затрат, и лишь небольшая часть как-то перерабатывается. Между тем морские ракообразные, как и все членистоногие, содержат много хитина – из него состоит их экзоскелет. Если удалить из хитина химическим путем часть ацетильных групп, можно получить хитозан – биополимер с уникальным набором биологических и физико-химических характеристик. Хитозан не вызывает воспаления или иммунной реакции, он обладает противогрибковыми и антимикробными свойствами и со временем разлагается на нетоксичные компоненты.

Панцири крабов могут стать источником хитина для современных биомедицинских технологий. (Фото: alexsvirid / Depositphotos) 

Трехмерный каркас из модифицированного хитозана после лазерной стереолитографии (а) и после сушки в вакуумной камере (b). (Фото: Первый МГМУ им. И. М. Сеченова)

Очевидно, что хитозан и его производные – прекрасный материал для биомедицины. На хитозановой основе можно создавать новые типы биосовместимых структур для восстановления поврежденных тканей, или, к примеру, носители для доставки лекарств. Мы уже как-то писали о том, как хитозан может пригодиться при трансплантации: пересаженные ткани, заполненные раствором хитозана, слабее отторгаются организмом и могут прослужить дольше.

В классическом способе получения хитозана из хитина сырьё обрабатывают агрессивными химическими реагентами, например, концентрированными растворами щелочей. Из-за их токсичности и из-за небольшого выхода хитозана подобные методы не подходят для промышленного использования. Исследователи из Первого Московского государственного медицинского университета (МГМУ) им. И. М. Сеченова вместе с коллегами из других научных центров России и Ирландии разработали более экологичный способ модификации хитина – механохимический синтез. На твердую реакционную смесь действуют реагентами, давлением и сдвиговыми напряжениями. При этом требуется меньше щелочи, чем при классическом химическом синтезе, а растворители, катализаторы и инициаторы химических процессов не используются. Полученный таким методом хитозан можно использовать в медицинских целях без дополнительной очистки от остатков токсичных веществ.

Этот же метод авторы работы использовали для синтеза на основе хитозана нескольких его производных с разным содержанием (от 5 до 50%) аллильных групп – производных пропилена. Под действием ультрафиолетового и лазерного излучения и при участии фотоинициатора аллильные группы формируют фотосшитые пленки или трехмерные структуры любой сложной геометрии.

Пленки из производных хитозана получали методом фотополимеризации: растворы полимеров в уксусной кислоте поместили на пластиковую подложку и облучили ультрафиолетом до затвердевания. А для формирования трехмерных структур исследователи использовали лазерную стереолитографию, одну из технологий 3D-печати. Это простой и быстрый метод создания трехмерных моделей, не требующий дорогостоящего оборудования.

В растворы производных хитозана вводили фотоинициатор, а затем запускали реакцию фотополимеризации с помощью лазера. Получившиеся структуры сначала замораживали, а затем сушили в вакуумной камере. Высушенные структуры стали пористыми. Затем их имплантировали крысам под кожу в межлопаточную область. Эксперимент на животных продолжался 90 суток, и за это время имплантаты не проявили признаков токсичности. Разрушение имплантированных структур началось только через 60 дней эксперимента. Результаты подробно описаны в статье в Marine Drugs.

По словам одного из авторов работы, младшего научного сотрудника отдела современных биоматериалов Института регенеративной медицины Сеченовского университета Ксении Бардаковой, новый метод позволяет делать трёхмерные структуры для заживления тканевых дефектов большой протяженности, от 1 см и больше. Кроме того, впервые удалось показать, что очаги деградации в них располагаются периодически, а не хаотично. Это подтверждает гипотезу о механизме биодеградации материалов на основе хитозана: сначала разрушаются менее упорядоченные аморфные области полимера.

Зная подробности процесса, в дальнейшем можно будет создавать структуры, которые будут распадаться ровно за то время, которое нужно поврежденной ткани для восстановления целостности и функциональных особенностей.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

По материалам пресс-службы Первого МГМУ им. И. М. Сеченова.