Chitosan-Nanopartikel – Eigenschaften und Anwendungen

Von Will SoutterMay 2 2013

Chitosan ist ein interessantes Polymer, das ausgiebig im medizinischen Bereich verwendet wurde. Es ist entweder teilweise oder vollständig deacetyliertes Chitin. Da Chitin natürlich vorkommt (z. B. in Pilzzellwänden und Krebstierschalen), ist Chitosan vollständig biologisch abbaubar und biokompatibel und kann als Klebstoff sowie als antibakterielles und antimykotisches Mittel verwendet werden.

Chitosan wurde aufgrund seiner biokompatiblen Eigenschaften ausführlich als potenzieller Wirkstoffträger untersucht. Einige Studien haben vorgeschlagen, mit Chitosan Nanopartikel aus anderen Materialien zu beschichten, um ihre Auswirkungen auf den Körper zu verringern und ihre Bioverfügbarkeit zu erhöhen.

Der Deacetylierungsgrad und das Molekulargewicht von Chitosan können modifiziert werden, um unterschiedliche physikalisch-mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die elementare Zusammensetzung des Chitosanpolymers ist Kohlenstoff (44,11%), Wasserstoff (6,84%) und Stickstoff (7,97 %). Das durchschnittliche Molekulargewicht der Viskosität von Chitosan beträgt ~ 5.3 x 105 Daltons.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von mit Docetaxel beladenen Chitosan-beschichteten Nanopartikeln.
Bildnachweis: S Saremi, Teheraner Universität für medizinische Wissenschaften über Open-i, US National Library of Medicine.

Bildung von Chitosan-Nanopartikeln

Chitosan wurde aufgrund seiner biokompatiblen Eigenschaften intensiv als potenzieller Wirkstoffträger untersucht. Einige Studien haben vorgeschlagen, mit Chitosan Nanopartikel aus anderen Materialien zu beschichten, um ihre Auswirkungen auf den Körper zu verringern und ihre Bioverfügbarkeit zu erhöhen.

Der Deacetylierungsgrad und das Molekulargewicht von Chitosan können modifiziert werden, um unterschiedliche physikalisch-mechanische Eigenschaften zu erhalten. Die elementare Zusammensetzung des Chitosanpolymers ist Kohlenstoff (44,11%), Wasserstoff (6,84%) und Stickstoff (7,97 %). Das viskositätsmittlere Molekulargewicht von Chitosan beträgt ~ 5,3 x 105 Dalton.

Antimykotische Eigenschaften von Chitosan

In seiner freien Polymerform zeigt Chitosan antimykotische Aktivität gegen Alternaria alternata, Rhizopus oryzae, Aspergillus niger, Phomopsis asparagi und Rhizopus stolonifer. Die antimykotische Aktivität von Chitosan hängt von seiner Konzentration, seinem Molekulargewicht, seinem Substitutionsgrad und der Art der dem Chitosan zugesetzten funktionellen Gruppen sowie von der Art des Pilzes ab.

Während Derivate des Polymers hergestellt werden können, um bestimmte Krankheitserreger anzugreifen, zeigt Chitosan eine natürliche antimykotische Aktivität, ohne dass eine chemische Modifikation erforderlich ist.

Chitosan-Nanopartikel bei der Arzneimittelabgabe

Mehrere Forschungsgruppen haben die Eigenschaften von Chitosan-Nanopartikeln untersucht, um sie als Arzneimittelabgabemittel zu verwenden. Die Biokompatibilität und Ungiftigkeit des Materials macht es attraktiv als neutrales Mittel zur Abgabe von Wirkstoffen.

Untersuchungen im Jahr 2005 bestätigten, dass mit ionischer Gelierung Chitosan-TPP-Nanopartikel von ausreichender Qualität für den Einsatz in klinischen Anwendungen hergestellt werden können. Die Forscher bestimmten auch den Einfluss bestimmter Fertigungsparameter auf die Partikeleigenschaften, um wiederholbare Ergebnisse aus dem Produktionsprozess zu gewährleisten.

Die 2006 durchgeführte Forschung konzentrierte sich dann auf die In-vitro- und In-vivo-Interaktion von Chitosan-Nanopartikeln (CSNPs) als neuem partikulärem Wirkstoffträger mit Epithelzellen auf der Augenoberfläche. Ionotrope Gelierung wurde verwendet, um die mit Fluoresceinisothiocyanat-Rinderserumalbumin markierten CSNPs herzustellen.

Es wurden drei verschiedene CSNP-Konzentrationen entnommen und humane Bindehautepithelzellen (IOBA-NHC) 15, 30, 60 und 120 Minuten lang ausgesetzt. Lebensfähigkeit und Zellüberleben wurden nach einer 24-stündigen Erholungsphase im Kulturmedium und unmittelbar nach der Behandlung gemessen.

Konfokale Mikroskopie wurde verwendet, um die Beziehung zwischen CSNPs und IOBA-NHC-Zellen zu messen. Fluorometrie wurde verwendet, um die Auswirkungen von Temperatur und Stoffwechselhemmung zu untersuchen. Die akute Verträglichkeit und die in vivo Aufnahme der Augenoberfläche gegenüber CNSPs wurden an Kaninchen untersucht.

Es wurde beobachtet, dass die Aufnahme von CSNPs während der Zeit des Experiments kontinuierlich und temperaturabhängig war. Es gab keinen Einfluss auf die CNSP-Aufnahme aufgrund der metabolischen Hemmung durch Natriumazid.

Es gab keine Anzeichen einer Veränderung oder Entzündung nach CSNP-Exposition auf der Augenoberfläche des Kaninchens. Fluoreszenzmikroskopie von Lidschnitten und Kaninchen Augapfel bestätigt in vivo Aufnahme durch Hornhaut und Bindehaut Epithelien. Diese Nanopartikel wurden von den Augenoberflächengeweben gut aufgenommen.

Für die Verabreichung von Arzneimitteln über Nicht-Injektion an Schleimhautstellen ist eine der wichtigsten Herausforderungen die Absorption der Arzneimittel an diesen Stellen. Das Arzneimittelabgabesystem sollte mukoadhäsive Partikel aufweisen und das Arzneimittel im Laufe der Zeit freisetzen.

Aufgrund der positiven Ladung von Chitosan kann es sich an den negativ geladenen Schleim binden. Somit kann Chitosan als ausgezeichneter Träger für mukoadhäsive Arzneimittel wirken. Nanopartikel auf Chitosan-Basis wurden verwendet, um Medikamente in die Lunge zu bringen, wobei Chitosan dabei hilft, sich an die Lungenschleimhaut zu binden.

Trockenpulverinhalation von Rifampicin, einem Antituberkulotikum, das mit Chitosan als Polymerträger formuliert wurde, zeigte eine anhaltende Wirkstofffreisetzung für 24 Stunden. In ähnlicher Weise nahm die pulmonale Ablagerung von Itraconazol, einem Antimykotikum, zu, wenn es als sprühgetrocknete Mikropartikel von Itraconazol formuliert wurde, die mit Chitosan-Nanopartikeln beladen waren.

Gold-Chitosan Partikel für Heavy Metal Sensing

In einem anderen stück der forschung in 2005, eine innovative strategie für mit gold nanoparticles capped mit chitosan für sensing heavy metal ionen wurde vorgeschlagen. Chitosan ist polykationisch und kann daher durch elektrostatische Wechselwirkungen an die negativ geladenen Goldnanopartikeloberflächen gebunden werden.

Die Verwendung von Chitosan bietet genügend sterische Hindernisse, um die Kolloidstabilität und die Funktionalisierung von Nanopartikeln zu gewährleisten, die als Sensoren verwendet werden können. Die chelatisierenden Eigenschaften von Chitosan und die optischen Eigenschaften von Goldnanopartikeln wurden verwendet, um niedrige Konzentrationen von Schwermetallionen in Wasser nachzuweisen.

Chitosanpartikel für die Wasseraufbereitung

Neben medizinischen Anwendungen wurde Chitosan auch in der Wasseraufbereitung eingesetzt. Das Vorhandensein von funktionellen Gruppen wie Hydroxyl und Amino in Chitosan macht es zu einem ausgezeichneten Adsorbens. Eine Studie berichtete, dass Chitosan-beschichtete Nanopartikelmembranen Bakterien viel besser entfernen konnten als unbeschichtete Membranen.

Eine weitere Studie aus dem Jahr 2015 berichtete über die Verwendung von Chitosan-Zinkoxid-Nanopartikeln zur Entfernung von etwa 99% Farbe aus Textilabwässern. Wenn das Chitosan magnetisch gemacht wird, kann es zusammen mit den adsorbierten Farbstoffen leicht unter Verwendung magnetischer Kräfte zurückgewonnen werden, was eine gute Wiederverwendbarkeit des Wassers ermöglicht.

Anwendungen von Chitosan-Nanopartikeln

Anwendungen von Chitosan-Nanopartikeln sind unten aufgeführt:

• Antibakterielle Mittel, Gen-Delivery-Vektoren und Träger für die Proteinfreisetzung und Medikamente.
• Ein potenzielles Adjuvans für Impfstoffe wie Influenza, Hepatitis B und Ferkelparatyphusimpfstoff.
• Ein neuartiges nasales Verabreichungssystem für Impfstoffe. Diese Nanopartikel verbessern die Antigenaufnahme durch schleimhautlymphoide Gewebe und induzieren starke Immunantworten gegen Antigene.
• Chitosan verhindert nachweislich auch Infektionen in Wunden und beschleunigt den Wundheilungsprozess, indem es das Wachstum von Hautzellen fördert.
• Chitosan-Nanopartikel können für Konservierungszwecke beim Verpacken von Lebensmitteln und in der Zahnmedizin verwendet werden.
• Es kann auch als Additiv in antimikrobiellen Textilien zur Herstellung von Kleidung für das Gesundheitswesen und andere Fachkräfte verwendet werden.
• Chitosan-Nanopartikel zeigen eine wirksame antimikrobielle Aktivität gegen Staphylococcus saprophyticus und Escherichia coli.
• Diese Materialien können auch als Wundheilungsmaterial zur Vorbeugung opportunistischer Infektionen und zur Ermöglichung der Wundheilung eingesetzt werden.
• Es wurde auch nachgewiesen, dass die Nanopartikel hautregenerative Eigenschaften zeigen, wenn Materialien im Labor an Hautzellfibroblasten und Keratinozyten getestet wurden, was den Weg für Anti-Aging-Hautpflegeprodukte ebnet.

Quellen und weiterführende Literatur

• Antimykotische Aktivität von Chitosan-Nanopartikeln und Korrelation mit ihren physikalischen Eigenschaften – International Journal of Biomaterials
• Ultrakleine wasserdispergierbare fluoreszierende Chitosan-Nanopartikel: synthese, Charakterisierung und spezifisches Targeting – Die Royal Society of Chemistry
• Schwermetallionensensoren mit Chitosan-capped Gold nanoparticles -IOP Science
• Chitosan für biomedizinische Anwendungen – University of Iowa
• Jüngste Fortschritte in der Chitosan–basierten Nanoparticulate Pulmonary Drug Delivery-Nanoskalige
• Textilfarbstoffentfernung aus Abwasser efuents mit Chitosan—ZnO nanokomposit. Journal of Textile Science and Engineering
• Farbstoffentfernung und Adsorptionskinetik durch magnetische Chitosan-Nanopartikel. Desalin Water Treat

Dieser Artikel wurde am 2. September 2019 aktualisiert.

Geschrieben von

Will Soutter

Will hat eine B.Sc . in Chemie von der University of Durham, und ein M.Sc . in Grüner Chemie von der Universität von York. Natürlich, Will ist unser ansässiger Chemieexperte, aber, Die Liebe zur Wissenschaft und zum Internet macht Will zum Allrounder des Teams. In seiner Freizeit spielt Will gerne Schlagzeug, kocht und braut Apfelwein.

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