Разработка хитин-глюкановых композитных материалов для биомедицины

Одним из направлений биомедицины является создание и тестирование
композитных материалов. Собственно, эти материалы могут быть или
природного происхождения, или синтетического. Данные материалы имеют
широкое применение в медицине, пищевой, косметической
промышленностях.
Однако, для применения в медицине, данные материалы должны
отвечать следующим условиям: они не должны быть токсичны, вызывать
сильные иммунные реакции, накапливаться в организме.
Особый интерес, среди композитных материалов занимает хитинглюкановый комплекс (ХГК). Данный материал, имеющий природное

происхождение, обладает крайне важными, для любого композитного
материала, характеристиками: не токсичность, низкая иммуногенность,
биоразлагаемость, биосовместимость, а также широкое применение в
медицине(кардиология, ортопедия, хирургия, диетология, и т.д)

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 7
1 Литературный анализ..................................................................................... 10
1.1 Хитин-глюкановый комплекс: структура, свойства, применение ..... 10
1.2 Композитные материалы........................................................................ 17
1.3 Капсулирование....................................................................................... 24
1.4 Иммобилизация антибиотиков с помощью кальций карбоната......... 29
2 Экспериментальная часть.............................................................................. 34
2.1 Материалы и методы исследования ...................................................... 34
2.1.1 Материалы исследования.................................................................... 34
2.1.2 Методы исследования.......................................................................... 41
2.2 Методики синтезов.................................................................................. 46
2.2.1 Методика синтеза хитин-глюканового комплекса ........................... 46
2.2.2 Приготовление растворов солей нужной концентрации ................. 47
2.2.3 Синтез CaCO3 на хитин-глюкановом комплексе.............................. 48
2.2.4 Синтез композитного материала на основе хитин-глюканового
комплекса с нанесением на него иммобилизированного антибиотика
ванкомицина с помощью ватерита ............................................................... 48
3 Обсуждение результатов ............................................................................... 50
3.1 Полученный хитин-глюкановый комплекс .......................................... 50
3.1.1 Анализ методом инфракрасной спектроскопии образцов МФЦ, ХГК
и их смеси........................................................................................................ 55
3.1.2 Проведения анализа элементного состава МФЦ, ХГК и их смеси. 60
3.1.3 Съемка образцов МФЦ, ХГК и их смеси с помощью сканирующего
электронного микроскопа (СЭМ) и получение набора СЭМ фотографий
…………………………………………………………………………61
3.2 Получение хитин-глюкановый комплекс с ватеритом........................ 64
6
3.2.1 Анализ композиционного материала (ХКГ с ватеритом) методом
инфракрасной спектроскопии....................................................................... 64
3.2.2 Съемка материала (хитин-глюкановый комплекс с ватеритом) с
помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и получение
набора СЭМ фотографий............................................................................... 66
3.3 Получение композитного материала из ХКГ с иммобилизованным
ванкомицином с помощью ватерита................................................................ 76
3.3.1 Спектрофотометрический анализ композитного материала из ХГК
посредством синтеза частиц сферического карбоната кальция на
микроволокна хитин-глюканового комплекса ............................................ 76
3.3.2 Анализ композиционного материала (ХКГ с иммобилизованным
ванкомицином с помощью ватерита) методом инфракрасной
спектроскопии................................................................................................. 78
3.3.3 Съемка материала (ХКГ с иммобилизованным ванкомицином с
помощью ватерита) с помощью сканирующего электронного микроскопа
(СЭМ)............................................................................................................... 81
3.3.4 Определение удельной поверхности образцов ................................. 83
3.3.5 Рентгенодифракционный (рентгеноструктурный) анализ
композитного материала из ХГК посредством синтеза частиц
сферического карбоната кальция на микроволокна хитин-глюканового
комплекса ........................................................................................................ 85
3.3.6 Бактериологическое действие антибиотика...................................... 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................. 90

Целью данной работы является получение хитин-глюканового
комплекса из клеток стенки гриба Trametes hirsuta, разработка и исследование
композиционных материалов, полученных в лабораторных условиях на
основе ХГК, а также изучение свойств этих материалов посредством
использования различных методов анализа и исследования.
Место защиты: РГУ нефти и газа. Оценка за защиту "Отлично"

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Осовская И.И., Будилина Д.Л., Тарабукина Е.Б., Нудьга Л.А.
Хитин-глюкановый комплекс (Физико-химические свойства и молекулярные
характеристики): учебное пособие / под ред. Г.М. Полторацкого; / ГОУВПО
СПбГТУРП. - СПб. - 2010. - 52 с.
2. Клишанец Е.Т., Троицкая Т.П., Потеха А.В. модификация
цветовой окраски хитин-глюканового комплекса при формировании его
эстетических характеристик // пищевая промышленность: наука и технологии.
- 2016. – т. 4. – N 34. C.84-89.
3. Ferreira I.C., Ara´ ujo D., Voisin P., Alves V.D., Rosatella A.A.,
Afonso С.А.М., Freitas F., Neves L.A. Chitin-Glucan Complex – Based
Biopolymeric Structures Using Biocompatible Ionic Liquids // Carbohydrate
Polymers. – 2020. – Vol. 247.
4. Singh, A., Dutta, P.K., Kumar, H. et al. Improved antibacterial and
antioxidant activities of gallic acid grafted chitin-glucan complex // Journal of
Polymer Research. – 2019.
5. Смирнова Е.Г., Журавлева Н.М., Кизеветтер Д.В., Резник А.С.
перспективы применения хитин-глюканового комплекса Aspergillus Niger в
композиции электроизоляционных видов бумаги // Химия растительного
сырья. – 2019. – N 3. С.315-323
6. Ившин В.П., Грунин Л.Ю., Артамонова С.Д., Шарнина Ф.Ф.,
Ившина Т.Н. Хитин-глюкановые комплексы на основе высших грибов //
естественные науки. – 2012. С.92-96.
7. Ившин В.П., Артамонова С.Д., Ившина Т.Н., Шарнина Ф.Ф.
Методы выделения хитин-глюканового комплекса из нативной биомассы
высших грибов // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. – 2007. – т. 49.
– N 12. С.2215-2222.
8. Мейчик Н.Р., Воробьёв Д.В. Хитин – глюкановый комплекс в
клеточных стенках лишайника Peltigera aphthosa // Прикладная биохимия и
микробиология. – 2012. – т. 48. – N 3. С.340-345.
9. Велинзон П.З., Новинюк Л.В. Изучение молекулярно-массового
распределения хитозана из мицелия гриба Aspregillus niger методами гель –
хроматографии //Cорбционные и хроматографические процессы. – 2020. –
т.20. – т. 4. – N 124. С.516-522.
10. Shi C., Zhu Y., Ran X., Wang M., Su Y., Cheng T. Therapeutic
Potential of Chitosan and Its Derivatives in Regenerative Medicine // Journal of
Surgical Research. – 2006. Vol. 133. N 2. P.185-192.
11. Забелина Н.А. Перспективы использования хитин-глюканового
комплекса в производстве мясных продуктов // Процессы и аппараты пищевых
производств. – 2008. – N 1. С.37-39.
12. Троцкая Т.П., Гуша Е.Т. Хитин и его производные: история
открытия и свойства // Современные технологии в АПК: материалы XVII
Междунар. науч.-практич. конф родно, апрель 2014 г. – Гродно : ГГАУ,. –
2014. С.158-160.
13. Павлова У.В., Белова Е.А., Троцкая Т.П. Сорбция кальция и
магния хитин-глюкановым комплексом, выделенным из биомассы Aspergillus
niger // Среда, окружающая человека: природная, техногенная, социальная :
материалы III Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых
ученых, Брянск, 14-16 мая 2014 г. – Брянск : Изд-во БГИТА. – 2014. С.188-190.
14. Клишанец Е.Т. Технология получения и товароведная оценка
хитин-глюканового комплекса: автореф. дис. … канд. тех. наук: 05.18.15 / Е.Т.
Клишанец; «Научно-практический центр Национальной академии наук
Беларуси по продовольствию». – Минск, - 2007., - 26 с.
15. Rodriguez J, Neyrinck A.M., Zhang Z., Seethaler B., Nazare J.A.,
Sánchez C.R., Roumain M, Muccioli G.G., Bindels L.B., Cani P.D., Maquet V.,
Laville M, Bischoff S.C., Walter J. & Delzenne N.M. Metabolite profiling reveals
the interaction of chitin-glucan with the gut microbiota // Gut Microbes. – 2020.
– Vol. 12. N 1.
16. Ardiyanti R. Design and Characterization of Chitin- Glucan Polymeric
Structures for Wound Dressing Materials: Dissertation for obtaining the Master
degree in Membrane Engineering / Ardiyanti R. Universidade Nova de Lisboa. –
Lisboa. – 2014. 96 p.
17. Клишанец Е., Лугин В., Литвяк В., Троцкая Т. Хитин-глюкановый
комплекс: получение и свойства // Наука и инновации. – 2016. – Vol. 9. – N
163. С.62-67.
18. Унрод В.И., Солодовник Т.В. Хитин- и хитозансодержащие
комплексы из мицелиальных грибов: получение свойства, применение //
Бiополiмери i клiтина. – 2001. – т. 17. – N 6. С.526-533.
19. Bays, H.E., Evans J.L., Maki K.C., Evans M., Maquet V., Cooper R.,
Anderson J.W. Chitin-glucan fiber effects on oxidized low-density lipoprotein: a
randomized controlled trial // European Journal of Clinical Nutrition. – 2013. – N
67. P.2–7.
20. Gautier S., Xhauflaire-Uhoda E., Gonry P., Pierard G.E. Chitin–glucan,
a natural cell scaffold for skin moisturization and rejuvenation // International
Journal of Cosmetic Science. – 2008. – N 30. P.459–469.
21. Salernitano E., Migliaresi C. Composite materials for biomedical
applications: a review // Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics. – 2003.
– N 1. P.3-18.
22. Zagho M.M., Essraa A., Elzatahry H.A., Elzatahry A.A. Recent
Overviews in Functional Polymer Composites for Biomedical Applications //
Polymers. – 2018. – N 10. P.739-760.
23. Egbo, M.K. A fundamental review on composite materials and some of
their applications in biomedical engineering // Journal of King Saud University -
Engineering Sciences. – 2020. 19 p.
24. Stein P.S., Sullivan J., Haubenreich J.E., Osborne P.B. Composite
Resin in medicine and dentistry // Journal of long-term effects of medical implants.
– 2005. – Vol. 13. – N 6. P.641-654
25. Morris R.H., Geraldi N.R., Stafford J.L., Spicer A., Hall J., Bradley C.,
Newton M.I. Woven Natural Fibre Reinforced Composite Materials for Medical
Imaging // Materials (Basel). – 2020. – Vol. 13. – N 7. 20 p.
26. Zhou W., He J., Cui S., Gao W. Preparation of electrospun silk
fibroin/Cellulose Acetate blend nanofibers and their applications to heavy metal ions
adsorption // Fibers and Polymers. – 2011. – N 12. P.431-437.
27. Yang C., Xue R., Zhang Q., Yang S., Liu P., Chen L., Wang K., Zhang
X., Wei Y. Nanoclay cross-linked semi-IPN silk sericin/poly(NIPAm/LMSH)
nanocomposite hydrogel: An outstanding antibacterial wound dressing // Materials
Science & Engineering C. – 2017. – N 81. C.303-313
28. Wang L., Khor E., Wee A., Lim L.Y. Chitosan-alginate PEC membrane
as a wound dressing: Assessment of incisional wound healing // Chitosan-alginate
PEC membrane. – 2002. – Vol. 63. – N 5. P.610-618.
29. Ngadaonye J.I., Geever L.M., Killon J., Higginbotham C.L.
Development of novel chitosan-poly(N,N-diethylacrylamide) IPN films for
potential wound dressing and biomedical applications // Polymer Bulletin. – 2013.
– Vol. 20. – N 7. P.160-173.
30. Bader R.A., Herzog K.T., Kao W.J. A study of diffusion in
poly(ethyleneglycol)-gelatin based semi-interpenetrating networks for use in wound
healing // Polymer Bulletin. – 2009. – Vol. 62. – N 3. P.381-389.
31. Narayanan K.B., Zo S.M., Han S.S. Novel biomimetic chitin-glucan
polysaccharide nano/microfibrous fungal-scaffolds for tissue engineering
applications // International Journal of Biological Macromolecules. – 2020. – Vol.
149. P.724-731.
32. Huang Y.M., Lin Y.C., Chen C.Y., Hsieh Y.Y., Liaw C.K., Huang
S.W., Tsuang Y.H., Chen C.H., Lin F.H. Thermosensitive Chitosan-GelatinGlycerol Phosphate Hydrogels as Collagenase Carrier for Tendon-Bone Healing in
a Rabbit Model // Polymers (Basel). – 2020. -Vol. 12. – N 2. P.436-451.
33. Chang, Y.L., Hsieh C.Y., Yeh C.Y., Lin F.H. The Development of
Gelatin/Hyaluronate Copolymer Mixed with Calcium Sulfate, Hydroxyapatite, and
Stromal-Cell-Derived Factor-1 for Bone Regeneration Enhancement // Polymers. –
2019. – Vol. 11. – N 9. P.1454-1472.
34. Pan Y.H., Wang H.T., Wu T.L., Fan K.H., Huang H.M., Chang, W.J.
Fabrication of Fe3O4/PLLA composites for use in bone tissue engineering //
Polymer Composite. – 2017. – Vol. 38. P.2881-2888.
35. Liu T.Y., Hu S.H., Liu K.H., Liu D.M., Chen S.Y. Preparation and
characterization of smart magnetic hydrogels and its use for drug release // Journal
of Magnetism and Magnetic Materials. – 2006. – Vol. 304. – N 1. P.397-399.
36. Khan M.U.A., Haider S., Shah S.A., Razak S.I.A., Hassan SA., Kadir
M.R.A., Haider A. Arabinoxylan-co-AA/HAp/TiO2 nanocomposite scaffold a
potential material for bone tissue engineering: An in vitro study // International
Journal of Biological Macromolecules. – 2020. – Vol. 151. P.584-594.
37. Campbell J., Kastania G., Volodkin D. Encapsulation of LowMolecular-Weight Drugs into Polymer Multilayer Capsules Templated on Vaterite
CaCO3 Crystals // Micromachines. – 2020. – Vol. 11. – N 8. P.717–738.
38. Ferreiraa A.M., Vikulinab A.S., Volodkina D. CaCO3 crystals as
versatile carriers for controlled delivery of antimicrobials // Journal of Controlled
Release. – 2020. – Vol. 328. P.470-489.
39. Kurapatia R., Raichur A.M. Composite cyclodextrin–calcium
carbonate porous microparticles and modified multilayer capsules: novel carriers for
encapsulation of hydrophobic drugs // Journal of Materials Chemistry B. – 2013. –
Vol. 1. – N 25. P.3175-3184.
40. Lee C.H., Jin E.S., Lee J.H., Hwang E.T. Immobilization and
Stabilization of Enzyme in Biomineralized Calcium Carbonate Microspheres //
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. – 2020. – Vol. 8. 8 p.
41. Saida F.A., Michely L., Bousserrhine N., Alphonse V., Belbekhouche
S. Antibiotic loading and development of antibacterial capsules by using porous
CaCO3 microparticles as starting material International // Journal of Pharmaceutics.
– 2020. – Vol. 579. 9 p.
42. Begum G., Thuniki N.R., Kumar K.P., Dhevendar K., Singh S.,
Amarnath M., Sunil M., Rangari V.K., Kumar R.R. An in Situ Strategy to
Encapsulate Antibiotics in a Bioinspired CaCO3 Structure Enabling pH-Sensitive
Drug Release Apt for Therapeutic and Imaging Applications // ACS Applied
Materials & Interfaces. – 2020. – Vol. 8. – N 34. P.22056–22063.
43. Ghosh S., Wu V., Pernal S., Uskoković V. Self-Setting Calcium
Phosphate Cements with Tunable Antibiotic Release Rates for Advanced
Antimicrobial Applications // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2016. – Vol.
8. – N 12. P.7691–7708.
44. Vancomycin [Электронный ресурс] – 2021. – URL:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK459263/ (дата обращения 03.04.2021).
45. Pumerantz A., Muppidi K., Agnihotri S., Guerra C., Venketaraman V.,
Wang J, Betageri G. Preparation of liposomal vancomycin and intracellular killing
of meticillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) // International Journal of
Antimicrobial Agents. – 2011. – Vol. 37. – N 2. P.140-144.
46. Золотистый стафилококк (S. aureus) как причина раневых
инфекций. Резистентность к антибиотикам MRSA [Электронный ресурс] –
URL: https://meduniver.com/Medical/farmacologia/zolotistii_stafilokokk.html
MedUniver (дата обращения 20.04.2021).
47. ИК спектры основных классов органических соединений / под ред.
доц. Тарасевича Б.Н. – 2012. 55с.
48. Болотова К.С., Чухчина Д.Г., Майер Л.В., Гурьянова А.А.
Морфологические особенности фибриллярной структуры растительной и
бактериальной целлюлозы // Лесной журнал. – 2016. – N 6. С.153-165.
49. NIST Chemistry webbook, SRD 69. – URL:
https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C471341 (дата обращения
25.05.2021).
50. Гаврилова Н. Н. Микроскопические методы определения размеров
частиц дисперсных материалов: учеб. пособие / Н. Н. Гаврилова, В. В.
Назаров, О.В. Яровая. – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. – 52 с.
51. Flaten E.M., Seiersten M., Andreassen J.-P. Polymorphism and
morphology of calcium carbonate precipitated in mixed solvents of ethylene glycol
and water // J. Cryst. Growth. 2009. Vol. 311, № 13. P. 3533–3538.
52. Demichelis R. et al. The Multiple Structures of Vaterite // Cryst.
Growth Des. 2013. Vol.13, № 6. P. 2247–2251.
53. Falini G. et al. Evidence of structural variability among synthetic and
biogenic vaterite //Chem. Commun. 2014. Vol. 50, № 97. P. 15370–15373.