КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-73-10212

НазваниеСоздание фундаментальных основ экологически безопасных методов получения полифункциональных материалов на основе природных полисахаридов

РуководительМаляр Юрий Николаевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Красноярский край

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул

Ключевые словагемицеллюлоза, полисахариды, катионные полисахариды, четвертичные аммонийные соли, сульфатирование, окисление, физико-химические исследования, модификация, сорбенты, флокулянты

Код ГРНТИ31.25.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Полисахариды - жизненно важные биомакромолекулы, состоящие из гомо- или гетеромоносахаридов и уроновых кислот, связанных гликозидными связями [1–3]. Они встречаются в различных частях растений, животных, грибов, бактерий и морских водорослей и играют важную роль в многочисленных физиологических процессах [4]. В течение последних десятилетий биоактивные полисахариды активно исследуются в качестве терапевтических средств против многих хронических заболеваний благодаря их биоразлагаемости, нетоксичности и биосовместимости [5]. Исследования показали, что полисахариды обладают широким спектром фармакологических свойств, таких как антиоксидантные, противоопухолевые, антимикробные, гиполипидемические, антидиабетические и гепатозащитные [6–8]. Полисахариды хорошо изучены в качестве новых продуктов в области косметики, продуктов питания, медицины, нефтехимии и при получении бумаги [3,9,10]. В частности, в медицинской промышленности полисахариды в основном используются в качестве фармацевтических препаратов и медицинских биоматериалов (гипогликемические, антиостеоартритические и противоопухолевые препараты) для снижения влияния соответствующих метаболических синдромов [9,11]. Сульфатированные полисахариды выполняют разнообразные роли в биологии, выступая в качестве структурных компонентов ткани для сигнальных агентов в физиологических процессах. Их состав и структура, а также их физико- химические, биомеханические и биологические свойства представляют большой интерес для фундаментальных исследований и для разработки новых продуктов в фармацевтической, медицинской промышленности и пищевой промышленности [12]. Активность сульфатированных полисахаридов зависит от состава углеводного остова, молекулярной массы и, что важно, от положения сульфатных групп и количества или степени сульфатирования. Биологические свойства производных полисахаридов включают в себя: антикоагулянтную, антитромботическую, антивирусную, антиоксидантную, противоопухолевую, противовоспалительную, антиатеросклеротическую, антиадгезивную, антипептическую, антиульцерогенную, антилипидемическую активности, и они сильно зависят от структуры и состава [12]. В настоящее время активно разрабатываются методы модификации полисахаридов травянистых растений различными методами. Так, модифицированные катионными и анионными группами полисахариды имеют значительные перспективы использования в различных областях, таких как очистка воды, производство бумаги, химическая, пищевая, косметическая и нефтяная промышленность. Комбинация катионных полисахаридов с анионными полимерами может привести к интерполиэлектролитным комплексам с гидрогелеподобными структурами, еще более расширяющие применение первых. Таким образом, является актуальным разработка экологически более безопасных методов функционаллизации полисахаридов и исследование их состава и строения. Ранее коллективом авторов были проведены исследования сульфатирования полисахарида лиственницы арабиногалактана, а также этаноллигнина пихты в экологически более безопасных условиях - сульфаминовой кислотой в диоксане в присутствии основного катализатора-мочевины. С помощью комплекса физико- химических методов (элементного анализа, ИК-, КР- и ЯМР-спектроскопии, РФА, растровой электронной и атомно- силовой микроскопии) проведено исследование исходного арабиногалактана (АГ) и его сульфатированных производных. Проведены исследования по модификации полисахаридов анионными и катионными группами. Данные подходы будут использованы для синтеза и физико-химического исследования полифункциональных производных галактоманнанов, будут исследованы различные катализаторы процессов сульфатирования, окисления, этерификации и проведена математическая оптимизация данного процесса. Планируется использование методов элементного анализа, ИК, КР, ГПХ, ЯМР 13C спектроскопии, растровой электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, динамического рассеяния света. В результате работы будет установлен состав и строение полученных сульфат-цитратов галактоманнана. Также планируется разработка новых методов синтеза интерполиэлектролитных комплексов анионных галактоманнанов с хитозаном. В результате работы будет установлен состав и строение полученных ИПЭК, изучена их биологическая активность. Новизна проекта заключается в разработке новых эффективных и экологически безопасных методов получения полифункциональных катионных производных, в т.ч. на основе сульфат-цитратов и сульфат-ацетатов галактоманнана как функциональных биополимеров и новых органических и углеродных материалов с уникальными свойствами. В данной работе будут использовано оборудование ЦКП ФИЦ КНЦ СО РАН (ИК, ЯМР, АСМ, РЭМ, DLS, КР, ЭПР, ГПХ, ГХ- МС, ТГ/ДСК, элементный анализатор и др.). У членов коллектива имеется значительный опыт синтеза, модификации и исследования сульфатов природных полимеров, каталитического превращения компонентов растительной биомассы, математической оптимизации данных процессов. Список литературы: 1. Zhang, Y.; Wang, F. Carbohydrate drugs: Current status and development prospect. Drug Discov. Ther. 2015, 9, 79–87. 2. Li, P.; Wang, F. Polysaccharides: Candidates of promising vaccine adjuvants. Drug Discov. Ther. 2015, 9, 88–93. 3. Do Amaral, A.E.; Petkowicz, C.L.O.; Mercê, A.L.R.; Iacomini, M.; Martinez, G.R.; Rocha, M.E.M.; Cadena, S.M.S.C.; Noleto, G.R. Leishmanicidal activity of polysaccharides and their oxovanadium (iv/v) complexes. Eur. J. Med. Chem. 2015, 90, 732–741. 4. Zong, A.; Cao, H.; Wang, F. Anticancer polysaccharides from natural resources: A review of recent research. Carbohydr. Polym. 2012, 90, 1395–1410. 5. Colegate, S.M.; Molyneux, R.J. Bioactive Natural Products: Detection, Isolation, and Structural Determination; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2007. 6. Zhang, C.; Gao, Z.; Hu, C.; Zhang, J.; Sun, X.; Rong, C.; Jia, L. Antioxidant, antibacterial and anti-aging activities of intracellular zinc polysaccharides from grifola frondosa sh-05. Int. J. Biol. Macromol. 2017, 95, 778–787. 7. Sinha, V.; Kumria, R. Polysaccharides in colon-specific drug delivery. Int. J. Pharm. 2001, 224, 19–38. 8. Dong, B.; Hadinoto, K. Direct comparison between millifluidic and bulk-mixing platform in the synthesis of amorphous drug-polysaccharide nanoparticle complex. Int. J. Pharm. 2017, 523, 42–51. 9. Jung, B.; Shim, M.-K.; Park, M.-J.; Jang, E.H.; Yoon, H.Y.; Kim, K.; Kim, J.-H. Hydrophobically modified polysaccharide-based on polysialic acid nanoparticles as carriers for anticancer drugs. Int. J. Pharm. 2017, 520, 111–118. 10. Nuti, E.; Santamaria, S.; Casalini, F.; Yamamoto, K.; Marinelli, L.; La Pietra, V.; Novellino, E.; Orlandini, E.; Nencetti, S.; Marini, A.M. Arylsulfonamide inhibitors of aggrecanases as potential therapeutic agents for osteoarthritis: Synthesis and biological evaluation. Eur. J. Med. Chem. 2013, 62, 379–394. 11. Chen,Q.; Mei,X.;Han,G.; Ling,P.; Guo,B.; Guo,Y.; Shao,H.; Wang,G.; Cui,Z.; Bai,Y. Xanthan gum protects rabbit articular chondrocytes against sodium nitroprusside-induced apoptosis in vitro. Carbohydr. Polym. 2015, 131, 363–369. 12. Caputo, H. E., Straub, J. E., & Grinstaff, M. W. (2019). Design, synthesis, and biomedical applications of synthetic sulphated polysaccharides. Chemical Society Reviews.

Ожидаемые результаты
По окончании проекта будут получены следующие оригинальные результаты: 1. Разработаны эффективные методы модификации полисахаридов катионными группам, в т.ч. с использованием ионных жидкостей. 2. Разработаны методы эффективного и экологически безопасного получения сульфатов-цитратов полисахаридов. 3. Подобраны эффективные параметры процессов модификации полисахаридов катионными и анионными группами. 4. Установлено влияние условий процессов химической модификации галактоманнанов (температура, продолжительность, соотношения реагентов, гидромодуль и др.) на выход и состав продуктов. 5. Разработаны методы получения интерполиэлектролитных комплексов искусственных анионных полимеров с катионными полимерами (хитозан) 6. Разработаны методы эффективного и экологически безопасного получения катион-анионных производных полисахаридов. 7. Проведены исследования биологической активности полученных производных и ИПЭК (антикоагулянтная, антиоксидантная, сорбционная активности) 8. Установлен состав и строение галактоманнанов и их производных комплексом физико-химических методов (ИК, КР, ЯМР, ЭПР, АСМ, РЭМ, DLS, ГПХ, ТГА/ДСК, элементный анализ и др.). Ожидаемые результаты исследования по своей новизне соответствуют мировому уровню и будут опубликованы в высокорейтинговых журналах. Результаты проекта могут быть использованы для решения задач высокотехнологичной утилизации огромных ресурсов полисахаридов, расширения сырьевой базы для получения востребованных полимерных продуктов для применения в медицине и фармацевтической промышленности (биологически активные биополимеры, интерполиэлектролитные комплексы), в охране окружающей среды (флокулянты, сорбенты) и в химической промышленности.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На этапе отчетного периода 2022-2023 гг проводилась оптимизация процесса выделения гемицеллюлоз из древесины лиственных (осина) и хвойных (ель, лиственница). Наработаны гемицеллюлозы для дальнейшей химической модификации. Изучена окислительная некаталитическая делигнификация древесины осины в среде «уксусная кислота – вода - пероксид водорода». Максимальный выход гемицеллюлозы (до 9,678 мас.%) достигается при температуре процесса 100 °С и продолжительности – 4 часа. С помощью математической обработки были определены оптимальные условия процесса делигнификации древесины осины - температура процесса – 98,8 °С, продолжительность – 3,51 часа. Полученные гемицеллюлозы охарактеризованы комплексом физико-химических методов: ГПХ, ИК, ЯМР, ГХ, ТГА. Определены состав и структура гемицеллюлоз, а также влияние условий выделения на характеристики продукта. Установлено, что гемицеллюлозы древесины осины, выделенные в выбранных нами условиях, имеют различное молекулярно-массовое распределение и среднемассовую молярную массу (8,932 – 33,142 г/моль). При увеличении температуры процесса от 70 до 100 °С происходит уменьшение PD с 6.18 до 2.05, свидетельствующее об увеличении однородности ГЦ. Выделенные гемицеллюлозы с высокой степенью деполимеризации состоят в основном из глюкороноксилана и содержат незначительное количество остаточного лигнина. Методом HSQC подтверждено, что β-d-Xylp является основой гемицеллюлоз древесины осины, которые содержат линейную главную цепь ксилана, связанного гликозидными связями β-(1→4) с небольшими количествами звеньев гексоз, маннозы и уроновых кислот в боковых цепях. Осуществлен скрининг растворителей для проведения реакции сульфатирования галактоглюкоманнана ели сульфаминовой кислотой в присутствии основного катализатора – мочевины. Установлено, что степень сульфатирования увеличивается в ряду морфолин < пиперидин < пиридин < диглим < диметилформамид (ДМФ) < 1,4-диоксан < диметилсульфоксид (ДМСО). Однако из-за трудоемкости процесса очистки продукта от ДМСО, оптимальным растворителем является 1,4-диоксан Исследовано влияние продолжительности процесса сульфатирования на молекулярно-массовые характеристики продуктов и степень сульфатирования. Обнаружена корреляция между средневесовой молекулярной массой и степенью сульфатирования, что свидетельствует в целом о недеструктивном характере выбранного процесса сульфатирования. Однако после достижения максимума после 120 минут процесса как по молекулярной массе, так и по содержанию серы (21,524 г/моль и 12,67 % масс. соответственно) увеличение продолжительности реакции вызывает гидролиз гликозидных связей, что приводит как к уменьшению молекулярной массы продукта, так и снижению степени сульфатирования. Структура сульфатированного галактоглюкоманнана изучена методом ИК-спектроскопии. Подтверждением введения сульфогрупп в молекулу галактоглюкоманнана является появление полос поглощения при 1255 и 875 см-1, соответствующих антисимметричным валентным колебаниям SO2 υas(O=S=O) и валентным колебаниям С–О–S υ(С–О–S) группировок. Полоса с максимумом при 1029 см-1 относится к симметричным валентным υs(O=S=O) колебаниям. Деформационным δ(O=S=O) и валентным υ(S–О) колебаниям отвечают две низкочастотные полосы с максимумами при 671 и 528 см-1. Разработан новый экологически безопасный способ модификации гемицеллюлозы лиственницы — арабиногалактана (АГ) — многоосновными карбоновыми кислотами (лимонной, янтарной, щавелевой и адипиновой) для получения композиционных материалов. Синтезированные производные АГ исследованы комплексом физико-химических методов, включая гельпроникающую хроматографию (ГПХ), инфракрасную Фурье-спектроскопию (FTIR), термогравиметрический анализ (ТГА), рентгеновскую дифрактометрию (РФА), сканирующую электронную микроскопию (СЭМ)), проведено исследование сорбционной емкости. Показано, что термообработка приводит к образованию дополнительных меж- и внутримолекулярных связей между карбоновыми кислотами и молекулами полисахаридов. Образование сложноэфирных связей подтверждается появлением в ИК-спектрах полос поглощения в области 1750–1690 см–1. С помощью ТГА-исследования установлено, что наиболее термостабильным (до 190 °С) образцом является оксалат арабиногалактана, полученный при термообработке. СЭМ-исследование синтезированных пленок АГ показало, что модифицированные образцы имеют однородную поверхность пленки, обеспечиваемую сшивкой. При изучении сорбционных свойств производных АГ установлено, что наибольшей сорбционной емкостью обладает сукцинат АГ (82,52 %), полученный лиофилизацией, за счет развитой мезопористой поверхности, что, в свою очередь, делает синтезированные пленки перспективными эко- экологически чистые материалы для использования в качестве носителей лекарственных средств, сорбентов и средств водоподготовки. Исследован процесс формирования полиэлектролитных комплексов гемицеллюлоза/хитозан и сульфатированная гемицеллюлоза/хитозан капельным методом с вариацией соотношения полианион/поликатион. При условии добавления раствора хитозана к сульфатированной гемицеллюлозе были получены ПЭК с отрицательным поверхностным зарядом, о чем свидетельствует ζ-потенциал от -11.1 до -30.1 мВ. Однако при увеличения содержания хитозана ζ-потенциал приобретает положительные значения (от 14.7 мВ), не обеспечивающие устойчивость ПЭК. При изменении порядка смешивания (хитозан/СГЦ) наблюдалась агрегация частиц, что указывает на влияние порядка смешивания при формировании ПЭК. Изучены антиоксидантная и антикоагулянтная активность гемицеллюлоз и их производных Проведенное исследование показало, что гемицеллюлозы осины оказывают сильное ингибирующее действие на DPPH радикалы и при этом наблюдается дозозависимый характер Активность всех полисахаридов по нейтрализации DPPH и гидроксил радикалов была ниже, чем поглощающая способность витамина С (Vc) во всех протестированных концентрациях (0.5; 2; 5 мг/мл). Было обнаружено, что влияние антиоксидантов на активность удаления DPPH заключается в их способности отдавать водород, то есть полисахариды с низкой молекулярной массой и большим содержанием уроновых кислот обладали более сильной способностью отдавать водород, что приводило к лучшей активности по удалению радикалов DPPH, что обеспечивает большую растворимость и более легкую взаимную диффузию для передачи большей способности отдавать водород. Образцы, содержащие большее количество фенольных компонентов (70-4, 80-4) проявляют более сильную способность по удалению гидроксильных радикалов, однако, с точки зрения чистоты основного продукта они уступают образцам (100-4 – 100-1). Проведена оценка образцов сульфатированных галактоглюкоманнанов сразличной степенью сульфатирования в экспериментах на агрегацию тромбоцитов человека и гемолиз эритроцитов человека. Исследованные производные галактоглюкоманнанов in vitro в концентрации до 0,02 мг/мл не влияли на: время появления сгустка крови человека в тесте времени рекальцификации крови; на время появления сгустка плазмы человека в тесте активированного частичного тромбопластинового времени; на гемолиз эритроцитов человека (степень гемолиза менее 2 %). Показано, что не влияющие на коагуляцию крови/плазмы человека и на мембрану эритроцитов сульфатированные производные галактоглюкоманнанов могут быть использованы в качестве потенциальных компонентов разрабатываемых конструкций для доставки лекарственных средств или генов.

 

Публикации

1. Боровкова В.С., Маляр Ю.Н., Судакова И.Г., Чудина А.И., Зимонин Д.В., Скрипников А.М., Мирошникова А.В., Ионин В.А., Казаченко А.С., Сычев В.В., Пономарев И.С., Иссаоуи Н. Composition and Structure of Aspen (Pópulus trémula) Hemicelluloses Obtained by Oxidative Delignification Polymers, 2022, Vol.14 №.21, 4521 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/polym14214521

2. Маляр Ю.Н., Боровкова В.С., Казаченко А.С.,Фетисова О.Ю., Скрипников А.М., Сычев В.В., Таран О.П. Preparation and Characterization of di- and Tricarboxylic Acids-Modified Arabinogalactan Plasticized Composite Films Polymers, 2023, Vol.15, N.9, 1999 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/polym15091999

3. Боровкова В.С., Маляр Ю.Н. Исследование влияния катализаторов различной природы на структуру и антиоксидантную активность древесных гемицеллюлоз ели Picea Abies. Тезисы докладов XII Всероссийской научной конференции с международным участием и школой молодых ученых «ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ» 29 ноября – 02 декабря 2022 г., г. Киров (устный доклад)), С.24 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.19110/00919-045

4. Боровкова В.С., Маляр Ю.Н., Миронов А.А. Антиоксидантная активность древесных гемицеллюлоз осины, полученных методом каталитической окислительной делигнификации Сборник тезисов Шестой школы молодых ученых «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы» 6 - 11 сентября 2022 г. Красноярск, (устный)), С. 25-26. (год публикации - 2022)

5. Боровкова В.С., Маляр Ю.Н., Судакова И.Г., Чудина А.И. Антиоксидантная активность древесных гемицеллюлоз осины Pópulus Trémula, полученных методом окислительной делигнификации Тезисы докладов 16-й Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием "Современные проблемы науки о полимерах" 24-27 октября 2022 г., г. Санкт-Петербург (устный доклад)), С. 214. (год публикации - 2022)

6. Маляр Ю.Н. Древесные гемицеллюлозы — перспективные биоактивные полимеры и матрицы Сборник тезисов Шестой школы молодых ученых «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы» 6 - 11 сентября 2022 г. Красноярск, (пленарный доклад)), С.22-23 (год публикации - 2022)