Хитозановая композиция

Хитозановая композиция

Реферат

Данное изобретение относится к хитозановой композиции, и особенно к хитозановым гелям, изготовленным из хитозана с низкой степенью деацетилирования и ковалентно сшитым при pH в диапазоне 6-10.

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение относится к биосовместимым композициям полисахаридного геля, и в частности композициям хитозана в вакцинах, для доставки лекарственных средств, наращивания ткани, культивирования клеток, инкапсулирования жизнеспособных клеток, косметического использования, ортопедического использования, использования в качестве биоматериалов, устройств для заживления ран, загустителя и добавки в пищевой промышленности, применение в качестве клеев, смазывающих веществ, жидкостей для сверления и вспомогательных жидкостей. Гели получают с помощью ковалентно сшитых хитозановых гелей с низкой степенью деацетилирования. Путем подбора хитозанов с определенными степенями деацетилирования и используя эффективные условия сшивания могут быть получены гели с представляющими интерес и неожиданными биологическими и физическими свойствами. Они отличаются от других сшитых хитозановых гидрогелей, изготовленных из стандартного хитозана и с использованием типичных протоколов сшивания. Можно изготовить гели по изобретению, которые имеют очень низкую токсичность, и они могут быть изготовлены так, чтобы быстро разлагаться. Другая необычная особенность указанных гелей состоит в том, что они не осаждаются при воздействии нейтральных и щелочных условий. Они также обладают жесткостью, что позволяет дополнительную механическую переработку, например в инъецируемые, так называемые "дробленые гели", полезные в большом количестве применений.

Гидрогель можно определить как коллоидный гель, в котором вода представляет собой дисперсионную среду. Гидрогели широко используют во многих сферах и в нескольких областях они превратились в многомиллиардные индустрии. Обычно гидрогели изготовляют из водорастворимых полимеров, которые или были выделены из природных источников, или получены синтезом или химическими модификациями природных полимеров. Такие полимеры выбирают по их физическим и биологическим свойствам и используют самостоятельно или в комбинациях, зависящих от требуемых свойств продукта. Некоторые полимеры имеют физические свойства, которые делают их подходящими для медицинского использования, в то время как другие используются в пищевой промышленности, механической обработке и обрабатывающей промышленности в качестве смазывающих веществ, жидкостей для сверления и вспомогательных жидкостей, в косметических средствах, применениях биоматериалов, в биотехнологии в качестве клеточных каркасов и так далее. Для разных применений требуются разные свойства полимеров и множество технических применений основаны на сортах необработанной массы, доступной с низкой стоимостью, в то время как для медицинского применения требуются высокоочищенные сорта, часто с высокой стоимостью. Иногда физические свойства полимерного раствора, такие как вязкость, являются главным интересующим параметром, в то время как в других применениях становятся более значимыми биологические и токсикологические свойства для их функционирования в предполагаемом применении.

Некоторые полимеры используют для целей наполнения в композициях для наращивания тканей, где гели используют или самостоятельно или вместе с твердыми гранулами. В других применениях, например для заживления ран, доставки лекарственных средств, носителей для вакцин, требуются другие полимеры с другими свойствами для удовлетворения медицинских требований. В общем случае, такие свойства как вязкость, противомикробная активность, адгезивная способность или способность абсорбировать/удерживать воду, все являются свойствами, которые следует принимать во внимание. Способность удерживать воду и набухать имеют обычно большое значение в пищевых применениях, где полимер используют либо в качестве загустителя или в качестве улучшителя растворимости и стабилизатора других агентов. Существует широкий спектр полимеров, встречающихся в медицинских продуктах, как синтетических полимеров, так и полимеров натурального происхождения. Во многих применениях важно, чтобы полимеры распадались и выделялись, не вызывая нежелательных побочных эффектов. Несмотря на то, что способность к биоразложению не всегда является необходимой, хорошая биосовместимость является критической для предупреждения побочных реакций, таких как воспаление, иммунологические реакции или отторжение вещества. Таким образом, неудивительно, что встречающиеся в природе, нетоксичные полисахариды используют в медицинских продуктах, так как они обладают замечательными физическими свойствами в комбинации с представляющими интерес биологическими и медицинскими свойствами и обычно являются доступными с высокой степенью чистоты и по низкой цене. Обычно используемые полисахариды представляют собой, например, целлюлозу, альгинаты, хитозан, гиалуроновую кислоту, крахмал или их производные.

В медицине гели и мази используют, например, для доставки лекарственных средств, косметических целей, или для создания противомикробных барьеров, чтобы избежать инфекции. Гидрогели часто имеют нужную растворимость и биологические свойства и поэтому обнаруживаются в многочисленной группе продуктов. Образующие гель полисахариды, такие как гиалуроновая кислота, производные целлюлозы и подобное, становятся рентабельными промышленными областями. Гиалуроновая кислота является примером полимера, который можно было бы использовать сам по себе, так как он самопроизвольно образует гидрогели при использовании в низкоконцентрированных водных растворах при физиологическом pH. Другие полимеры, подобные целлюлозе, не могут быть использованы в таком качестве и должны быть химически модифицированы для приобретения желательных свойств. При получении гидрогелей из полисахаридов, обычный протокол включает растворение полимера в водном растворе в низких концентрациях, часто от 0,5 и до 3% (масс./масс.). Когда требуются более высокие вязкости, это может быть достигнуто или добавлением большего количества полимера к раствору, если позволяет растворимость, или сшиванием полимеров. Сшивание дает полимеры с более высокой молекулярной массой и, следовательно, более высокой вязкостью. Сшивание можно выполнять различными способами, используя ковалентные, ионные или гидрофобные стратегии, и доступным является большое количество подходов. В общем случае, когда продукт подобной реакции сшивания предназначен для медицинского использования, желательно обеспечить уровень сшивания как можно ниже, так как существует риск включения иммунологических реакций против линкера, и это может также негативно сказаться на биоразложении.

Иммунология и аллергия. Иммунную систему можно разделить на врожденный и адаптивный иммунитет. Врожденный или неспецифический иммунитет представляет собой наследственную устойчивость, проявляемую особями, которые не были иммунизированы инфекцией или вакцинацией. Адаптивный или приобретенный иммунитет представляет собой тип иммунитета, при котором существует измененная реактивность по отношению к антигену, который стимулирует его, и который создает антиген-специфическую иммунологическую память. Иммунитет может быть активным, то есть следствием приобретенной инфекции или вакцинации, или может быть пассивным, то есть приобретенным при переносе антител. Пассивная вакцинация антителами имеет несколько недостатков: инъекция чужеродных веществ может вызывать иммунный ответ против инъецируемых антител. Моноклональные антитела должны быть инъецированы в большом количестве, что делает данную терапию очень дорогой. Лечение должно быть продолжительным, чтобы поддерживать их функцию. Чаще всего предпочтительной является активная вакцинация для индуцирования образования антител и иммунологической памяти. Большинство природных иммуногенов представляют собой белки с молекулярной массой более 5 кДа. Даже иммуногенные молекулы могут не создать нужный уровень иммунитета. Для увеличения интенсивности иммунного ответа иммуногены объединяют с адъювантами. Адъюванты представляют собой агенты, которые усиливают иммунный ответ, не образуя нежелательных антител против адъюванта. Если иммуноген все еще неспособен вызывать приемлемый иммунный ответ, его можно конъюгировать с носителем, который является более иммуногенным. Небольшие молекулы с молекулярной массой в диапазоне от 0,1 до 2 кДа, часто являются слишком маленькими, чтобы распознаваться иммунной системой, и вследствие этого неудобны для использования сами по себе в иммунизациях. Одним способом обойти это является связывание их ковалентно с более крупными молекулами-носителями. Вакцинация может быть пероральной, назальной, подкожной, подслизистой, сублингвальной или внутримышечной.

Распознавание и разрушение чужеродных клеток с помощью Т- и NK-клеток называется клеточно-опосредованным иммунитетом (ТН1 иммунный ответ). Гуморальный иммунитет ассоциирован с В-клетками (ТН2 иммунный ответ). Сообщалось, что гидроксид алюминия избирательно активирует ТН2-клетки, в то время как полный адъювант Фрейнда активирует клетки ТН1. Доказано, что хитозан усиливает как гуморальный, так и клеточно-опосредованный иммунный ответ (Vaccine 3, стр.379-384, 1985).

Врожденная иммунная система распознает широкий спектр патогенов без необходимости в предварительном тестировании. Главные клетки, ответственные за врожденный иммунитет, моноциты/макрофаги и нейтрофилы, фагоцитируют микробные патогены и инициируют врожденный, воспалительный и приобретенный иммунные ответы. Toll-подобные рецепторы (TLR) представляют собой семейство трансмембранных белков типа 1, вовлеченных в распознавание широкого диапазона микроорганизмов. Они играют главную роль во врожденной иммунной системе. TLR представляют собой тип образраспознающих рецепторов (PRR) и распознают молекулы, которые широко распространены в патогенах, но отличны от хозяйских молекул, в совокупности называемые патоген-ассоциированными молекулярными структурами (РАМР). Рецепторы макрофага также считаются образраспознающими рецепторами. Маннозный рецептор макрофага распознает гексозы с экваториально расположенными гидроксильными группами на атомах углерода С₃ и С₄, в положениях, дающих возможность распознавать маннозу, фруктозу, N-ацетилглюкозамин и глюкозу (Curr. Opin. Immunol. 10, 50-55, 1998).

Аллергия является очень распространенным расстройством, поражающим приблизительно от одной четвертой до одной трети населения в развитых странах, например более 50 миллионов американцев страдает от аллергических заболеваний. Стратегия лечения, в целом чаще всего используемая в настоящее время, ставит целью эффекторные механизмы аллергии, например с помощью перорального приема антигистаминов или с помощью местных кортикостероидов. Лечение антигистаминами и кортикостероидами может быть эффективным в ослаблении симптомов аллергии, но их использование ведет к воздействию фармацевтического продукта на весь организм, и они могут вызывать неприятные или даже опасные побочные эффекты. Аллерген-специфическая иммунотерапия представляет собой единственное используемое лечение, целью которого являются лежащие в основе причины аллергии, и которое обеспечивает продолжительное ослабление симптома. Таким образом, ее можно считать единственным куративным лечением аллергического заболевания. Данное лечение может быть выполнено в виде подкожных инъекций или сублингвально. Проводимое путем инъецирования аллергенных экстрактов подкожно, оно оказывает задокументированный эффект, в то время как эффективность сублингвальной аллерген-специфической иммунотерапии в меньшей степени задокументирована.

Аллергические заболевания, такие как астма и ринит, вызваны неадекватным иммунным ответом на другие безвредные антигены окружающей среды, то есть аллергены. Наиболее общая форма представляет собой иммуноглобулин (Ig) Е-опосредованную аллергию, характеризующуюся присутствием аллерген-специфического IgE. В настоящее время существует две основные стратегии лечения IgE-опосредованных аллергий, фармакологическая терапия и аллерген-специфическая иммунотерапия. Фармакологическое лечение включает обработку местными кортикостероидами, особенно в случае аллергической астмы и экземы. Однако 10-20% пациентов с аллергической астмой не реагируют на стероидное лечение. Другие общепринятые противоаллергические лекарственные средства нацелены на эффекторные механизмы IgE-опосредованной аллергии, например антигистамины, антилейкотриены и хромоны. Единственной радикальной терапией IgE-опосредованной аллергии, то есть единственным лечением, которое обеспечивает продолжительное ослабление симптомов, является аллерген-специфическая иммунотерапия (ASIT). Было доказано, что, в отличие от фармацевтического лечения, ASIT также уменьшает воспаление дыхательных путей и защищает от развития в хроническую астму (J Allergy Clin Immunol. 1998 102(4 Pt 1), 558-62). Лечение основано на повторном введении аллергена для индуцирования аллерген-специфической невосприимчивости. В настоящее время в ASIT широко используют аллергенные экстракты, полученные из природных источников и адсорбированные на гидроксид алюминия (квасцы). Квасцы задерживают высвобождение аллергена и действуют как адъювант. Однако существуют некоторые недостатки, связанные с использованием аллергенных экстрактов и квасцов. Многочисленные инъекции низких доз аллергена требуются в течение 3-5 лет. Чтобы решить такие проблемы как индукция новых сенсибилизаций и вредных побочных эффектов экстрактами, для использования в ASIT были предложены рекомбинантные аллергены (Adv Immunol. 2004; 82: 105-53, Nat Rev Immunol. 2006 Oct; 6(10):761-71). Рекомбинантные аллергены можно модифицировать разными способами с целью достижения более безопасных и более эффективных протоколов для ASIT. Примерами таких новых стратегий является создание так называемых гипоаллергенов, то есть аллергенов с пониженной способностью связывать IgE, но сохраняющих активность Т-клеток, вакцинация пептидами, производными от аллергена, или связывание аллергенов с иммуномодулирующими агентами, такими как иммуностимулирующие олигонуклеотиды, содержащие мотивы CpG (Nat Rev Immunol. 2006 Oct; 6(10): стр.761-71, Curr Opin Immunol. 2002 Dec; 14(6): стр.718-27). Известно, что квасцы вызывают гранулему в месте инъекции и стимулируют в основном Th2-ответы. Таким образом, существует потребность в альтернативных адъювантах для ASIT.

Адъюванты представляют собой вещества, которые усиливают способность антигена вызывать иммунный ответ. Хотя предпринимаются широкомасштабные усилия для разработки новых адъювантов для человеческих вакцин, единственным широко используемым адъювантом по-прежнему является гидроксид алюминия. Было доказано, что алюминиевые адъюванты могут вызывать гибель нейронов. Желательна разработка новых адъювантов с целью максимального повышения эффективности новых вакцин. Идеальный адъювант должен обеспечивать продолжительную экспрессию функционально активных антител, вызывать клеточно-опосредованный иммунитет и усиливать продуцирование Т- и В-лимфоцитов памяти с высокоспецифической иммунореактивностью против антигена. Он должен обеспечивать как немедленную защиту, так и защиту против будущих заражений антигеном. Кроме того, он должен быть биоразлагаемым, нетоксичным и не вызывать иммунный ответ, направленный против самого адъюванта.

Вакцинации должны обеспечивать продолжительный эффект, быстрое продуцирование антител и высокие титры антител.

Использование хитина и хитозана в качестве адъюванта упоминалось в патентах США 4372883 и 4814169. Использование хитозана в вакцинах в форме растворов, дисперсий, порошков или микросфер было описано в патентах США 5554388, 5744166 и WO 98/42374. Сшивание хитозана переключает иммунный ответ с ТН2 на смешанный ТН1/TH2-ответ. Использование хитозановых растворов, смешанных с антигенами для иммунизаций, показывает, что хитозан имеет одинаковую силу с неполным адъювантом Фрейнда и превосходит гидроксид алюминия (Vaccine 11, 2085-2094, 2007).

Доставка лекарственного средства. Доставка лекарственного средства представляет собой очень значительную область исследований, и большие денежные средства расходуются сегодня на поиски новых и улучшенных композиций, которые доставляют фармацевтические активные ингредиенты, такие как низкомолекулярные лекарственные средства, гены и вакцины, и в то же время минимизируют нежелательные побочные эффекты. Более ранние лекарственные средства становятся новыми в новых и улучшенных композициях.

Свойства хитозана, физические и биологические, сделали его наиболее подходящим для доставки фармацевтически активных компонентов и в качестве средства доставки, например, для вакцин, фрагментов генов и микро-РНК. Полезные и важные особенности хитозана заключаются в том, что он соединяется с любой живой тканью, обладает мукоадгезивными свойствами, разлагается и открывает плотные сочленения между клетками. С помощью использования этих свойств доставка лекарственного средства через слизистую мембрану может быть существенно улучшена. Композиции лекарственных средств на основе технологии с использованием хитозана сегодня разрабатывают для различных целей, например в качестве носителей вакцин, гидрогелей, высвобождающих лекарственное средство, мембран, сетчатого материала и так далее. Было доказано, что хитозан полезен, например, при доставке лекарственного средства в толстую кишку (Н.Tozaki, et. al, J. Pharm, ScL, 86, стр.1016-1021, 1997) и интраназальной доставке инсулина (США 5744-166). Кроме того хитозан использовали в качестве носителя в доставке гена (MacLaughlin, et. al, J. Controlled Release, 56, стр.259-272, 1998).

Некоторые композиции разрабатывают для обеспечения замедленного высвобождения с течением времени, в то время как высвобождение из других является более быстрым. При использовании гидрогелей хитозана было обнаружено, что сшивание является предпочтительным, так как гели без сшивающих агентов имеют тенденцию к растворению. Другое преимущество использования сшивания заключается в том, что скорость высвобождения из геля можно изменять посредством использования различных степеней сшивания. Хитозан можно использовать для разработки новых композиций для, например, перорального, кожного, подкожного, буккального, сублингвального, назального, ректального, вагинального и внутримышечного введения.

Большому количеству лекарственных средств, которые вводят в немодифицированной форме общепринятыми системными путями, не удается достичь органов-мишеней в эффективной концентрации, или они не являются эффективными в течение продолжительного промежутка времени вследствие легкости метаболизма. Используя Системы Доставки Лекарственного средства (DDS) можно преодолеть эти проблемы.

Противораковые лекарственные средства часто отличаются коротким временем полужизни в плазме и/или заметными побочными эффектами. Подходом к уменьшению данных проблем может являться очаговое введение, то есть местная доставка лекарственного средства в область рака с помощью имплантации/инъекции DDS, содержащей химиотерапевтический агент. По сравнению с системным введением величина побочных эффектов будет уменьшаться, и общий эффект лекарственного средства будет увеличиваться.

При разработке DDS для очаговой терапии рака, следует принимать во внимание некоторые технические факторы, а именно биосовместимость, биоразлагаемость (важность зависит от заболевания, области применения и количества введений), стерильность/стерилизацию, совместимость с лекарственными средствами и фармацевтическими эксципиентами, удобство введения (предпочтительно с помощью шприца), гибкость в отношении дозирования, нагрузки лекарственного средства, установления дозы, способность контролировать скорость высвобождения лекарственного средства и переносимость пациентом, а также учет регламентных трудностей, CoG (стоимость товара) и IPR.

Благодаря инъекции DDS с лекарственным средством обеспечивается локализация большого количества загруженного лекарственного средства в область опухоли, таким образом, улучшается раковая терапия и снижаются вредные неспецифические побочные эффекты химиотерапии.

Наращивание ткани. Наращивание ткани можно использовать и в медицинских и в косметических целях. Медицинское применение представляет собой, например, наращивание тканей с целью достижения улучшенной функции этой ткани. Примерами тканей, которые могут быть усилены инъекцией увеличивающих объем агентов, являются голосовые связки, пищевод, уретра или прямая кишка. В области косметической хирургии можно использовать наращивание мягких тканей для коррекции дефектов, таких как шрамы и морщины и для увеличения, например, губ или грудных желез. Для наращивания или реставрации мягкой ткани было использовано множество различных веществ, как бионеразлагаемых, так и биоразлагаемых. Примерами веществ, используемых для долговременного наращивания мягких тканей, являются силикон, Gore-Tex и ePTFE (пористый политетрафторэтилен). Примерами биоразлагаемых веществ являются коллаген, аутогенный жир, сшитая гиалуроновая кислота и синтетические полимеры.

Силикон является одним из наиболее часто используемых веществ для долговременного наращивания мягкой ткани. Нежелательные реакции на жидкий инъецируемый силикон включают гранулематозные реакции, воспалительные реакции и смещение. Такие реакции могут происходить спустя годы после первичной обработки. Кроме того, так как инъецируемый силикон является долговременным наполнителем, вышеуказанные осложнения могут стать серьезной проблемой, поскольку вещество не метаболизируется, и реакция может сохраняться несмотря на лечение.

Коллаген представляет собой одно из наиболее часто используемых инъецируемых веществ, как для косметических применений, так и в качестве увеличивающего объем агента, например при недержании мочи. Коллаген, однако, имеет некоторые недостатки. Он быстро распадается, и приблизительно 3% населения показывает реакции гиперчувствительности замедленного типа, что делает необходимым выполнение аллергических тестов в течение времени перед инъекцией. Кроме того, коллаген бычьего происхождения может передавать вирусные заболевания.

Хорошо известны инъекции аутогенного жира. Данные вещества также имеют недостатки. Жир, инъецированный в морщины на лице и складки, вызывал потерю зрения и эмболию у некоторых пациентов. Кроме того, аутогенный жир легко поглощается организмом.

Продукты из сшитой гиалуроновой кислоты используют как для косметических лечений, так и в качестве увеличивающих объем агентов в лечении, например, недержания мочи (UI) и везикоуретерального рефлюкса (VUR).

Общим подходом в создании увеличивающих объем агентов является использование сфер из бионеразлагаемого вещества, распределенного в биологически биоразлагаемом носителе. Примеры включают покрытые углеродом шарики в бета-глюкановом геле, гидроксиапатитовые сферы в карбоксиметилцеллюлозе, частицы политетрафторэтилена и микросферы сополимера молочной и гликолевой кислот (PLGA). Одной опасностью при инъекции частиц является возможная миграция частиц в отдаленные органы, такие как мозг и легкие.

Существующие вещества не являются оптимальными, и происходит постоянный поиск новых веществ для применения в наращивании тканей, веществ, инъецируемых через тонкие иглы, биосовместимых, нетоксичных и с подходящим временем удерживания в ткани.

Были описаны хитозановые гели для наращивания мягкой ткани (WO 97/04012, ЕР 1333869).

Хитозановые гели также использовали в культивировании клеток и для инкорпорации жизнеспособных клеток, подлежащих использованию, например, в тканевой инженерии хрящевой ткани, как описано, например, в Biomaterials. 2000; 21(21): 2165-61, J Biomed Mater Res A. 2007; 83(2): 521-9, и Biochimie. 2006; 88(5): 551-64.

В косметических средствах хитозан использовали, например, в кремах для кожи (US 20060210513, US 20040043963) и для уменьшения раздражения кожи, вызываемого бритьем (US 6719961).

Хитозан также можно использовать в качестве смазывающего вещества (Nature. 2003, 425: 163-165). Использование хитозана в качестве загустителя было описано, например, в Environ Sci Technol. (2002) 36(16): 3446-54 и Nanotechnology (2006) 17 3718-3723. Кроме того, его использовали в качестве клея (Biomacromolecules. 1 (2): 252-8 (2000) и Fertil Steril, 84, 75-81 (2005)) и в качестве пищевой добавки (US 5098733, US 5976550, US 6238720 и US 6428806).

В дополнение к медицинскому применению вязкоупругие хитозановые гидрогели можно использовать в качестве псевдопластических, разжижающихся при сдвиге хитозансодержащих жидкостей, и способ улучшения термической устойчивости таких жидкостей описан, например, в патенте США 6258755.

Хитин представляет собой следующий за целлюлозой наиболее распространенный полисахарид на земле. Он обнаружен в жестких структурах и прочных веществах, в которых он имеет функцию элемента жесткости. Вместе с кальциевыми солями, некоторыми белками и липидами он образует наружные скелеты морских организмов, подобных ракообразным и членистоногим. Он также обнаружен в клеточных стенках некоторых бактерий и губок, и он образует жесткие раковины и крылья насекомых. В промышленных масштабах хитин выделяют из раковин ракообразных, которые представляет собой отход рыбной промышленности. Хитозан представляет собой линейный полисахарид, образованный остатками 1,4-бета-связанного D-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. Хитин по своей природе не является водорастворимым, что сильно ограничивает его использование. Однако в результате обработки хитина сильной щелочью получают частично деацетилированное и водорастворимое производное хитозана, которое может быть переработано в ряд разных физических форм, например пленки, губчатые материалы, бусины, гидрогели, мембраны. Хитозаны в своей основной форме, и в частности высокомолекулярные хитозаны, и/или с высокими степенями N-деацетилирования, являются практически нерастворимыми в воде, однако их соль с одноосновными кислотами обычно бывает водорастворимой. Средняя величина рКа остатков глюкозамина составляет примерно 6,8, и полимер образует водоводорастворимые соли, например, с HCl, уксусной кислотой и гликолевой кислотой. Растворимость хитозана зависит от нескольких факторов, как внутренних, таких как, например, длина цепи, степень деацетилирования, распределение ацетильных групп в цепях, a также внешних условий, таких как ионная сила, pH, температура и растворитель. Из литературы известно, что степень ацетилирования примерно 50% является оптимальной для растворимости. При приготовлении гелей и водных растворов в кислотной среде существует практическое ограничение, накладываемое растворимостью конкретного хитозана, которая зависит от его молекулярной массы и его степени N-деацетилирования. Однако количество хитозана в водной среде обычно находится в интервале 1-10% или 1-5% масс. в пересчете на массу жидкой среды, с количеством, приближающимся к более высокому концу интервала, если используют низкомолекулярные хитозаны (Carbohydr. Polym. 25, 65-70, 1994).

Характерные свойства хитозана, делающие его биоразлагаемым, нетоксичным и противомикробным, вместе с его катионной и гидрофильной природой, делают его привлекательным в фармацевтических композициях. Однако его слабая растворимость в физиологических условиях ограничивала его практическое использование. Учеными был преодолен данный недостаток растворимости путем изготовления химически модифицированных производных хитозана с исключительными свойствами растворимости при физиологическом pH, например сульфатированного хитозана, N-карбоксиметилхитозана, O-карбоксиметилхитозана и N,O-карбоксиметилхитозана (Int J Biol Macromol. (4), 177-80, 1994, Carbohydr Res. 302(1-2): 7-12, 1997).

Результатом введения химических заместителей в хитозан являются измененные биологические свойства, например измененная скорость разложения и риск введения групп, которые будут обладать отрицательным воздействием на биосовместимость и токсичность. На данную проблему обращен US 6344488, где глицерофосфат используется в качестве усилителя растворимости, и таким образом обеспечивается получение хитозановых гидрогелей при физиологическом pH без модификации структуры хитозана.

Хитозановые растворы могут быть сшиты в кислотных условиях, обычно при pH, подходящем для образования основания Шиффа (pH 4-5), с образованием гидрогелей. Было использовано очень большое количество различных сшивающих агентов с различными структурами и реакционными способностями. Некоторые сшивающие агенты были использованы для образования гелей из жидкого хитозана, например гликозаминогликаны, такие как гиалуроновая кислота и хондроитинсульфат (Ann, Pharm. Fr. 58 47-53, 2000), глутаральдегид 30 (Ind. Eng. Chem. Res. 36: 3631-3638, 1997), глиоксаль (US 5489401), диэтилскварат (Macromolecules 31: 1695-1601, 1998), диэпоксиды, такие как диглицидиловый эфир (US 5770712), триполифосфат (J Appl Polym Sci 74: 1093-1107, 1999), генипин (J Polym Sci A: Polym Chem 38: 2804-2814, 2000, Biomaterials. 23: 181-191, 2002), формальдегид (J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 38, 474, 2000, Bull. Mater. Sci., 29, 233-238, 2006). Если требуемым продуктом является гидрогель, нужно чтобы хитозан и его производное оставались в растворе и избегать их осаждения. Попытки отрегулировать pH сшитых хитозановых гидрогелей до физиологически приемлемых уровней приводят к осаждению и нерастворимым веществам ограниченного использования. Желательно поддерживать степень сшивания насколько возможно низкой, как по токсикологическим причинам, так и из-за того, что высокая степень сшивания может полностью изменить поведение хитозана (Eur J Pharm Biopharm. 2004, 57(1): 19-34. Review).

Особую группу гидрогелей представляют собой вязкоупругие гели, которые являются вязкими и в то же время проявляют упругие свойства. Вязкоупругий гель деформируется и течет под действием приложенного напряжения сдвига, но если напряжение устраняют, жидкость медленно восстанавливается от некоторой деформации. Это используют, например, в офтальмологии, наращивании ткани и косметической хирургии. Вязкоупругость гелей допускает механическую обработку, которая включает получение дробленых гелей. Вязкоупругие гели гиалуроновой кислоты используют, например, в глазной хирургии, заполнении морщин или в лечении недержания мочи.

Хитозан, природный полиэлектролит. Трехмерная ориентация полиэлектролита в водной среде будет зависеть, например, от его природной/химической композиции, размера, концентрации и плотности заряда, то есть числа зарядов и расстояния между его заряженными группами. Пространственные взаимодействия любого полиэлектролита в растворе контролируются энтальпией, и молекула стремится принять низкое энергетическое состояние, в котором она наиболее устойчива. Такой путь минимизации энергии включает разные типы взаимодействия, или внутримолекулярные (внутри одной и той же молекулы) или межмолекулярные (между молекулами). Примерами внутримолекулярных взаимодействий являются водородные связи, гидрофобные взаимодействия и взаимодействия между заряженными группами в полимере. Типичные межмолекулярные взаимодействия представляют собой взаимодействия растворителя и взаимодействия с другими молекулами. Независимо от типа вовлеченного взаимодействия, движущей силой данных взаимодействий является нахождение энергетически выгодных конформаций полиэлектролита.

Если полиэлектролит содержит заряженные группы, с одним и тем же типом заряда, например положительным, эти группы будут отталкивать друг друга. С целью снижения их внутренней энергии молекула полиэлектролита будет стараться разнести свои внутренние заряды насколько возможно дальше, что будет приводить к растянутой полимерной цепи. Такие растянутые полимеры не только будут более "объемными", они также будут обладать относительно высоким состоянием энергии, скрытой в напряженных связях между атомами.

С другой стороны, если полиэлектролит содержит заряды противоположных знаков, они будут притягивать друг друга и формировать внутренние солевые мостики, которые приведут к другой трехмерной ориентации полимера, то есть разные части полимера будут сведены ближе друг к другу. В полимере без каких-либо зарядов не происходит неионных взаимодействий, и следовательно его трехмерная ориентация будет зависеть от его способности образовывать стабилизирующие водородные связи и гидрофобные взаимодействия внутри молекулы и с окружающими молекулами и средой. В отличие от полиэлектролитов, незаряженные полимеры, которые не содержат никаких высокоэнергетических сил отталкивания, образуют структуру своего рода "статистической спирали", где их внутренняя энергия минимизирована и их относительное энергососдержание ниже, чем у полиэлектролитов.

В физическом смысле, ионные взаимодействия (заряды) являются более сильными и вовлекают больше энергии, чем другие взаимодействия, такие как водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия. Относительное влияние первых на молекулярную ориентацию является, таким образом, значительным и во многих случаях затеняет влияние других видов вовлеченных сил.

Хитозановый полимер с его смесью остатков N-ацетилглюкозамина и глюкозамина теоретически мог быть нейтральным полимером, но в большинстве практически и биологически релевантных ситуаций он протонирован, так как значение рКа для глюкозаминов в хитозане приблизительно равно 6,8. Однако, в отличие от полиэлектролитов, несущих постоянно заряженные группы, плотность заряда хитозанового полимера может варьироваться и быть непосредственно зависимой от pH водного раствора. Практически, большинство имеющихся в продаже и немодифицированных хитозанов являются нерастворимыми в водных растворах, где pH выше чем приблизительно 6, и выше такого pH они будут осаждаться из водного раствора. Осаждение управляется энергетически, так как хитозановая молекула требует большого количества зарядов на ее молекулярной основе для образования энергетически благоприятного состояния сольватизации. Если это не может быть достигнуто; молекулы будут осаждаться из раствора и образовывать более стабильные осадки. В осадке хитозановые цепи сближаются, что обеспечивает возможность оптимизации энергии при помощи молекулярных взаимодействий между хитозановыми молекулами и внутри них.

С целью увеличения вязкости хитозанового раствора можно использовать химическое сшивание. В такой реакции хитозановые цепи соединяются вместе с образованием более крупных сетеобразных агрегатов. В ходе такого взаимодействия вязкость постепенно увеличивается, и раствор становится более гелеобразным по своей структуре. Существует большое число методов сшивания, описанных для хитозана в растворе, и общим в них является то, что хитозан растворяют в подкисленной водной фазе и реакция сшивания происходит при низком pH, обычно 4-5. Используемый низкий pH означает, что хитозановые цепи находятся в их протонированной форме, и они, таким образом, находятся в "растянутой" форме при сшивании. Полученный сшитый гель, таким образом, с технической точки зрения, представляет собой макроструктуру протонированных и растянутых хитозановых цепей. Если такую макросеть перенести в нейтральные или щелочные условия, она постепенно теряет свои заряды, сжимается и в конечном итоге осаждается. Это в некоторой степени ожидаемо, так как когда стандартные хитозаны (степень деацетилирования приблизительно между 80-95%) доводят до pH выше 6, они осаждаются. Сшивание само по себе создает еще более крупные электролитические структуры, для которых будет еще больше требоваться стабилизации в водном растворе с энергетической точки зрения. Это происходит в связи с тем, что положительные заряды стали ближе друг к другу в точках контакта между цепями, и, таким образом, еще более трудно стабилизировать с помощью сольватирующих молекул воды. Таким образом, они еще более склонны к осаждению, чем отдельные цепи, когда условия в растворе изменяются менее энергетически оптимальным образом, например повышается pH. В результате сшивки макрогелевая структура фиксируется в растянутом и энергетически невыгодном состоянии, которое физически не допускает пере