کیتوزان، بیوپلیمر زیست الگو: منابع، ویژگی ها و کاربردهای آن در زیست پزشکی

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 دانشگاه تهران،دانشکده علوم و فنون ،مهندسی علوم زیستی

2 دانشگاه تهران، - پردیس علوم،دانشکده زیست شناسی

چکیده

دانش زیست­الگو و الهام­زیستی نه تنها تأمین‌کننده بهبود کیفی محصولات و فرآیندهای فناورانه است، بلکه راه­حل امیدوار کننده برای برون رفت بشر از مشکلات حاصل از فناوری‌ها و سبک زندگی مدرن است. از جمله دستاوردهای برخورداری از این دانش، جایگزینی کارآمد مواد طبیعی از جمله بیوپلیمرها به‌جای انواع شیمیایی ساختگی آنهاست. یکی از فراوانترین بیوپلیمرها، کیتن و شکل داستیله آن کیتوزان است. کیتوزان ویژگی­های منحصربه‌فردی مانند زیست سازگاری، زیست تخریب‌پذیری، زیست فعالی، خاصیت ضد­میکروبی و غیرسمی بودن دارد. این زیست ماده، امروزه در زیست پزشکی از جمله مهندسی بافت، زخم پوشی، دارورسانی، تصویربرداری پزشکی و چشم پزشکی کاربردهای زیست الگویی زیادی پیدا کرده است. کیتین به‌صورت رایج از پوست دور ریز میگو و خرچنگ استخراج و سپس به کیتوزان تبدیل می‌شود. در سال‌های اخیر پژوهشگران با توجه به محدودیت منابع دریایی به منبع مهم جایگزین دیگر کیتین از جمله حشرات توجه نموده­اند. این مقاله به مرور منابع، ویژگی های شیمی فیزیکی، زیستی و کاربردهای کیتوزان در زیست پزشکی می­پردازد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Chitosan, a Biomimetic Biopolymer: Sources, Characteristics and its Applications in Biomedical

نویسندگان [English]

  • Mahdi Zarabi 1
  • Narges Khosravi 1
  • Mehran Habibi rezaei 2
1 University of Tehran, Faculty of Science and Technology, Life Sciences Engineering
2 School of Biology, College of Science, University of Tehran, Iran.
چکیده [English]

Biomimetics and bioinspiration science is not only provide the quality improvement of technological products and processes, but also a promising solution for human beings to get out of the problems caused by modern technologies and lifestyles. One of the achievements of this knowledge is the efficient replacement of natural materials such as biopolymers with synthetic chemicals. One of the most abundant biopolymers is chitin and its deacetylate form, chitosan. Chitosan has unique characteristics including biocompatibility, biodegradability, bioactivity, non-toxicity, and antimicrobial activation. This biomaterial has found many biomimetics applications in biomedical today, including tissue engineering, wound dressing, drug delivery, bio imaging, and ophthalmology. Chitin is commonly extracted from the waste skin of shrimp and then converted to chitosan. In recent years, researchers have considered an important alternative source of chitin, including insects, due to the limited marine resources. This work reviews the sources, physicochemical, biological, and usages of chitosan in biomedical fields.

کلیدواژه‌ها [English]

  • biomimetics
  • bioinspiration
  • biopolymers
  • chitin
  • Chitosan
  • Biomedical
[1]. Stenvinkel, P., Painer, J., Johnson, R. J., & Natterson‐Horowitz, B. (2020). Biomimetics–Nature's roadmap to insights and solutions for burden of lifestyle diseases. Journal of Internal Medicine, 287(3), 238-251.‏
[2]. Ahmad, S. I., Ahmad, R., Khan, M. S., Kant, R., Shahid, S., Gautam, L., ... & Hassan, M. I. (2020). Chitin and its derivatives: Structural properties and biomedical applications. International Journal of Biological Macromolecules.‏
[3]. E.junginer Hans, M.M.Sadeghi Assal (2014). Synthesis, characterization, and biomedical applications of chitosan and its derivatives. In: Kim Se-Kwon:Chitin and chitosan derivatives (Advances in drug discovery and developments), CRC Press,16.
[4]. Cheung, R. C. F., Ng, T. B., Wong, J. H., & Chan, W. Y. (2015). Chitosan: an update on potential biomedical and pharmaceutical applications. Marine drugs, 13(8), 5156-5186.‏
[5]. Jiménez-Gómez, C. P., & Cecilia, J. A. (2020). Chitosan: A Natural Biopolymer with a Wide and Varied Range of Applications. Molecules, 25(17), 3981.‏
[6]. Hahn, T., Tafi, E., Paul, A., Salvia, R., Falabella, P., & Zibek, S. (2020). Current state of chitin purification and chitosan production from insects. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 95(11), 2775-2795.‏
[7]. Zainol Abidin, N. A., Kormin, F., Zainol Abidin, N. A., Mohamed Anuar, N. A. F., & Abu Bakar, M. F. (2020). The Potential of Insects as Alternative Sources of Chitin: An Overview on the Chemical Method of Extraction from Various Sources. International Journal of Molecular Sciences, 21(14), 4978.‏
[8]. González-Chang, M., Tiwari, S., Sharma, S., & Wratten, S. D. (2019). Habitat management for pest management: Limitations and prospects. Annals of the Entomological Society of America, 112(4), 302-317.‏
[9]. Mohan, K., Ganesan, A. R., Muralisankar, T., Jayakumar, R., Sathishkumar, P., Uthayakumar, V. ... & Revathi, N. (2020). Recent insights into the extraction, characterization, and bioactivities of chitin and chitosan from insects. Trends in Food Science & Technology.‏
[10]. Yeul, V. S., & Rayalu, S. S. (2013). Unprecedented chitin and chitosan: A chemical overview. Journal of Polymers and the Environment, 21(2), 606-614.‏
[11]. Karlsson, A. M. (2010). High Strength and Light-weight Materials Inspired by the Exoskeleton of Arthropods.‏
[12]. Anitha, A., Sowmya, S., Kumar, P. S., Deepthi, S., Chennazhi, K. P., Ehrlich, H. ... & Jayakumar, R. (2014). Chitin and chitosan in selected biomedical applications. Progress in Polymer Science, 39(9), 1644-1667.‏
[13]. Hamed, I., Özogul, F., & Regenstein, J. M. (2016). Industrial applications of crustacean by-products (chitin, chitosan, and chitooligosaccharides): A review. Trends in food science & technology, 48, 40-50.‏
[14]. Kasaai, M. R. (2009). Various methods for determination of the degree of N-acetylation of chitin and chitosan: a review. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 57(5), 1667-1676.‏
[15]. Tyliszczak, B., Drabczyk, A., Kudłacik-Kramarczyk, S., & Sobczak-Kupiec, A. (2020). Sustainable Production of Chitosan. In Sustainable Production: Novel Trends in Energy, Environment and Material Systems (pp. 45-60). Springer, Cham.‏
[16]. Chenite, A., Buschmann, M., Wang, D., Chaput, C., & Kandani, N. (2001). Rheological characterisation of thermogelling chitosan/glycerol-phosphate solutions. Carbohydrate polymers, 46(1), 39-47.‏
[17]. Zhao, D., Yu, S., Sun, B., Gao, S., Guo, S., & Zhao, K. (2018). Biomedical applications of chitosan and its derivative nanoparticles. Polymers, 10(4), 462.‏
[18]. Kumar, M. R., Muzzarelli, R., Muzzarelli, C., Sashiwa, H., & Domb, A. J. (2004). Chitosan chemistry and pharmaceutical perspectives. Chemical reviews, 104(12), 6017-6084.‏
[19]. Kumar, M. N. R. (2000). A review of chitin and chitosan applications. Reactive and functional polymers, 46(1), 1-27.‏
[20]. Vunain, E., Mishra, A. K., & Mamba, B. B. (2017). Fundamentals of chitosan for biomedical applications. In Chitosan Based Biomaterials Volume 1 (pp. 3-30). Woodhead Publishing.‏
[21]. Kravanja, G., Primožič, M., Knez, Ž., & Leitgeb, M. (2019). Chitosan-based (Nano) materials for novel biomedical applications. Molecules, 24(10), 1960.‏
[22]. Dash, M., Chiellini, F., Ottenbrite, R. M., & Chiellini, E. (2011). Chitosan—A versatile semi-synthetic polymer in biomedical applications. Progress in polymer science, 36(8), 981-1014.‏
[23]. Schmalz, G. (2014). Strategies to improve biocompatibility of dental materials. Current Oral Health Reports, 1(4), 222-231.‏
[24]. Rodrigues, S., Dionísio, M., López, C. R., & Grenha, A. (2012). Biocompatibility of chitosan carriers with application in drug delivery. Journal of functional biomaterials, 3(3), 615-641.‏
[25]. Park, P. J., Je, J. Y., & Kim, S. K. (2003). Free radical scavenging activity of chitooligosaccharides by electron spin resonance spectrometry. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 51(16), 4624-4627.‏
[26]. Jayakumar, R., Menon, D., Manzoor, K., Nair, S. V., & Tamura, H. (2010). Biomedical applications of chitin and chitosan based nanomaterials—A short review. Carbohydrate polymers, 82(2), 227-232.‏
[27]. Islam, S., Bhuiyan, M. R., & Islam, M. N. (2017). Chitin and chitosan: structure, properties and applications in biomedical engineering. Journal of Polymers and the Environment, 25(3), 854-866.‏
[28]. Ahsan, S. M., Thomas, M., Reddy, K. K., Sooraparaju, S. G., Asthana, A., & Bhatnagar, I. (2018). Chitosan as biomaterial in drug delivery and tissue engineering. International journal of biological macromolecules, 110, 97-109.‏
[29]. Muxika, A., Etxabide, A., Uranga, J., Guerrero, P., & De La Caba, K. (2017). Chitosan as a bioactive polymer: Processing, properties and applications. International Journal of Biological Macromolecules, 105, 1358-1368.‏
[30]. یعقوبی، نکیسا. میرزاده، حمید. و هرمزی، فرزین. (2002). بهینه سازی استخراج کیتین و تهیه کیتوسان از پوست میگو: بررسی عوامل موثر بر واکنش استیل زدایی کیتین و ارزیابی زیست سازگاری. مجله علوم و تکنولوژی پلیمر، جلد1،شماره­ی 1، ص 55-63.
[31]. خاکشور، محمد صادق. و پازوکی، جمیله. (2017). مقایسه ی خواص ضد باکتری کیتین، کیتوزان و کیتوالیگومرهای به دست آمده از پوسته ی میگوی سفید سرتیز (Metapenaeus affinis). دانشگاه علوم پزشکی مازندران، دوره 27، شماره 151، ص 62-73.
[32]. کردی، معصومه. و فرخی، ناصر. (2019). تهیه کیتوزان با کیتین های تولیدی از میگو با استفاده از دو اسید متفاوت و تعیین درجه استیلاسیون با استفاده از طیف FTIR. انسان و محیط زیست، شماره 49، ص 91-97.
[33]. هردانی، سارا. ارچنگی، بیتا. ذوالقرنین، حسین. و زمانی، اسحاق (1397). بهینه سازی استحصال کیتین و کیتوزان خالص از پوسته کیتینی گونه های Litopenaeus vannamei و Portunus pelagicus، محیط زیست جانوری، سال دهم، شماره­ی 2، ص 231-238.
[34]. Basseri, H., Bakhtiyari, R., Hashemi, S. J., Baniardelani, M., Shahraki, H., & Hosainpour, L. (2019). Antibacterial/antifungal activity of extracted chitosan from American cockroach (Dictyoptera: Blattidae) and German cockroach (Blattodea: Blattellidae). Journal of medical entomology, 56(5), 1208-1214.‏
[35]. Mehranian, M., Pourabad, R. F., Bashir, N. S., & Taieban, S. (2017). Physicochemical characterization of chitin from the Mediterranean flour moth, Ephestia kuehniella Zeller (Lepidoptera: Pyralidae). Journal of Macromolecular Science, Part A, 54(10), 720-726.‏
[36]. Bahrami, S. B., & Mirzadeh, K. S. (2004). A novel artificial skin based on chitosan/gelation/PVA composite membrane. In Transactions-7th world biomaterials congress (Vol. 410).‏
[37]. Ghazizadeh, Y., Mirzadeh, H., Amanpour, S., AHMADI, H., & RABANI, S. (2006). Investigation of effectiveness of chitosan hydrogel to stop bleeding and air leakage from lung fistula: an in vivo study.‏
[38]. خاکشور، محمد صادق. پازوکی، جمیله (1396). استخراج کیتوزان α، β و ϒ از خرچنگ Portunus segnis، سپیا Sepia pharaonis و قارچ Aspergillus niger و مقایسه ی خواص ضدمیکروبی آنها، نشریات علمی یافته های نوین در علوم زیستی، جلد4،شماره­ی 3،ص 255-263.
[39]. فتحی، آناهیتا. زارعی، لیلا. منافی، زهرا (1397). بررسی اثر پانسمان­های نانوفیبری حاوی کیتوزان در ترمیم زخم در مدل موش سوری، مجله پزشکی ارومیه، دوره بیست و نهم، شماره­ی 6، ص 437-443.
[40].  رزمجوئی،کاووس. نصیرالاسلامی، احسان. دادپی، معصومه. چهری، همایون. گل آقائی، علیرضا (1397). هیدروژل فیزیکی کیتوسان جهت درمان زخم دیابتی، مجله علوم پیراپزشکی و بهداشت نظامی، سال سیزدهم، شماره2، ص11-20.
[41]. Rezaei, M., Oryan, S., Nourani, M. R., Mofid, M., & Mozafari, M. (2018). Curcumin nanoparticle-incorporated collagen/chitosan scaffolds for enhanced wound healing. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, 7(3), 159-166.‏
[42]. Khorasani, M. T., Joorabloo, A., Moghaddam, A., Shamsi, H., & MansooriMoghadam, Z. (2018). Incorporation of ZnO nanoparticles into heparinised polyvinyl alcohol/chitosan hydrogels for wound dressing application. International journal of biological macromolecules, 114, 1203-1215.‏
[43]. Khorasani, M. T., Joorabloo, A., Adeli, H., Mansoori-Moghadam, Z., & Moghaddam, A. (2019). Design and optimization of process parameters of polyvinyl (alcohol)/chitosan/nano zinc oxide hydrogels as wound healing materials. Carbohydrate polymers, 207, 542-554.‏
[44]. Adeli, H., Khorasani, M. T., & Parvazinia, M. (2019). Wound dressing based on electrospun PVA/chitosan/starch nanofibrous mats: Fabrication, antibacterial and cytocompatibility evaluation and in vitro healing assay. International journal of biological macromolecules, 122, 238-254.‏
[45]. Bagher, Z., Ehterami, A., Safdel, M. H., Khastar, H., Semiari, H., Asefnejad, A., ... & Salehi, M. (2020). Wound healing with alginate/chitosan hydrogel containing hesperidin in rat model. Journal of Drug Delivery Science and Technology, 55, 101379.‏
[46]. Bayat, A., Larijani, B., Ahmadian, S., Junginger, H. E., & Rafiee-Tehrani, M. (2008). Preparation and characterization of insulin nanoparticles using chitosan and its quaternized derivatives. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 4(2), 115-120.‏
[47]. Bayat, A., Dorkoosh, F. A., Dehpour, A. R., Moezi, L., Larijani, B., Junginger, H. E., & Rafiee-Tehrani, M. (2008). Nanoparticles of quaternized chitosan derivatives as a carrier for colon delivery of insulin: ex vivo and in vivo studies. International journal of pharmaceutics, 356(1-2), 259-266.‏
[48]. Atyabi, F., Talaie, F., & Dinarvand, R. (2009). Thiolated chitosan nanoparticles as an oral delivery system for amikacin: in vitro and ex vivo evaluations. Journal of nanoscience and nanotechnology, 9(8), 4593-4603.‏
[49]. Safari, S., Zarrintan, M. H., Soleimani, M., Dorkoosh, F. A., Akbari, H., Larijani, B., & Tehrani, M. R. (2012). Evaluation and optimization of chitosan derivatives-based gene delivery system via kidney epithelial cells. Advanced pharmaceutical bulletin, 2(1), 7.‏
[50]. Mohammadi, Z., Dorkoosh, F. A., Hosseinkhani, S., Gilani, K., Amini, T., Najafabadi, A. R., & Tehrani, M. R. (2011). In vivo transfection study of chitosan-DNA-FAP-B nanoparticles as a new non viral vector for gene delivery to the lung. International journal of pharmaceutics, 421(1), 183-188.‏
[51]. Saremi, S., Atyabi, F., Akhlaghi, S. P., Ostad, S. N., & Dinarvand, R. (2011). Thiolated chitosan nanoparticles for enhancing oral absorption of docetaxel: preparation, in vitro and ex vivo evaluation. International journal of nanomedicine, 6, 119.‏
[52]. Yousefpour, P., Atyabi, F., Vasheghani-Farahani, E., Movahedi, A. A. M., & Dinarvand, R. (2011). Targeted delivery of doxorubicin-utilizing chitosan nanoparticles surface-functionalized with anti-Her2 trastuzumab. International journal of nanomedicine, 6, 1977.‏
[53]. Hosseinzadeh, H., Atyabi, F., Dinarvand, R., & Ostad, S. N. (2012). Chitosan–Pluronic nanoparticles as oral delivery of anticancer gemcitabine: preparation and in vitro study. International journal of nanomedicine, 7, 1851.‏
[54]. واعظی فر، صدیقه. مولایی، محمد (1398). تهیه و مشخصه یابی سامانه­ی دارورسانی نانوذرات کیتوزان حاوی داروی دوکسوروبیسین جهت استفاده در درمان سرطان سینه، مجله دانشکده پزشکی اصفهان، سال سی و هفتم، شماره­ی 541، ص 1053-1047.
[55]. Shokrgozar, M. A., Mottaghitalab, F., Mottaghitalab, V., & Farokhi, M. (2011). Fabrication of porous chitosan/poly (vinyl alcohol) reinforced single-walled carbon nanotube nanocomposites for neural tissue engineering. Journal of biomedical nanotechnology, 7(2), 276-284.‏
[56]. Jamalpoor, Z., Mirz