Estudio sobre modificación y composición del ácido hialurónico

El ácidohialurónico (HA) es un tipo de glucosaminoglicano que pertenece al grupo de mucopolisacáridos ácidos. Está ampliamente distribuido en varias partes del cuerpo humano, y la piel también contiene una gran cantidad de ácido hialurónico. En 1934, el profesor Meyer de la universidad de Columbia en los Estados Unidos fue el primero en hacerloAislar ácido hialurónicoDel humor vítreo del ganado [1]. En el cuerpo, el ácido hialurónico es una matriz multifuncional que presenta una variedad de funciones fisiológicas importantes, tales como la regulación de proteínas, ayudando en la difusión y transporte de agua y electrolitos, lubricde articulaciones, regulación de la permeabilidad de las paredes de los vasos sanguíneos, promover la cicatride heridas, etc. Lo más importante es que el ácido hialurónico tiene un efecto especial de retención de agua. Actualmente es la mejor sustancia hidratante que se encuentra en la naturaleza, y es conocido como el factor hidratante natural ideal (NMF). (una solución acuosa al 2% de ácido hialurónico puro puede retener firmemente el 98% de la humedad.) Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas y funciones fisiológicas, el ácido hialurónico ha sido ampliamente utilizado en medicina y materiales biológicos.

elEstructura química del ácido hialurónicoFue dilucidado por Karl Mayer's laboratorio en la década de 1950 [1]. El ácido hialurónico es un polímero. Es un mucopolisacárido de cadena recta de alto contenido molecularcompuesto por una unidad de ácido d-glucurónico y n-acetilglucosamina. El ácido d-glucurónico y n-acetilglucosamina están Unidos por enlaces -1,3-glicosídicos, y las unidades disacáriestán Unidas por enlaces -1,4-glicosídicos. Los dos monosacáridos en la molécula están compuestos en una relación molar de 1:1. Puede haber hasta 25.000 unidades de disacárido. In elhumanabody, the molecular pesodeÁcido hialurónico ranges desde5,000 to 20,000,000 daltons [2, 3]. elstructural formula dehialurónicaÁcido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácido ácidois shown enFigure 1.

El ácido hialurónico es solubleEn agua pero insoluble en disolventes orgánicos. Tiene muchas propiedades en común celotros mucopolisacáridos naturales. El ácido hialurónico extraído de organismos vivos es de color blanco, inodoro y altamente higroscópico. El ácido hialurónico en una solución de clorsódico se disodifica debido al grupo carboxilo en el ácido glucurónico, produciendo H+ y haciéndolo aparecer como un estado de anión poliiónico ácido, dando al ácido hialurónico las propiedades de un mucopolisacárido ácido [4,5]. Aunque los grupos hidroxilo en la molécula del ácido hialurónico están dispuestos en una orientación continua, formando áreas hidrofóbicen en la cadena molecular, la presencia de enlaces de hidrógeno entre los monosacáridos en la cadena molecular del ácido hialurónico resulta en una estructura cilíndrica helirígida en el espacio [6]. La presencia de un gran número de grupos hidroxilo en el interior de la columna hace que el ácido hialurónico sea altamente hidrófilo. Por lo tanto, las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicdel ácido hialurónico permiten que el ácido hialurónico con una concentración de menos de 1‰ forme una estructura de red de panal tridimensional continua [5].

Las moléculas de agua están bloqueadas en su lugar dentro de laRed de ácido hialurónicoPor enlaces polares e hidrógeno con moléculas de ácido hialurónico, y no se pierden fácilmente. Los estudios han demostrado que el ácido hialurónico puede adsoralrededor de 1000 veces su propio peso en agua, lo que no es comparable con otros compuestos polisacáridos. Por lo tanto, el ácido hialurónico, como un agente que retiene agua, es actualmente la mejor sustancia natural que se encuentra en la naturaleza para retener agua.

El ácido hialurónico se combina con proteínasPara formar moléculas proteoglicanas con un mayor peso molecular, que son componentes importantes para mantener la humedad en el tejido conectivo suel. Esta estructura gelsimilar de ácido hialurónico — proteína-agua une las células, permitiéndoles llevar a cabo funciones metabólicas normales mientras retienen la humedad del tejido. También protege las células de virus y bacterias, previene infecciones, y da a la piel un cierto grado de resistencia y elas[7,8].

1 método de preparación del ácido hialurónico

El método tradicional dePreparación de ácido hialurónicoEs el método de extracción, que utiliza materias primas que son generalmente tejidos animales frescos, como el cordón umbilicehumano, los cuerpos vítreos animales, roosters' Peines y cartílago de ballena. Estas materias primas son difíciles de obtener y caras, y el contenido de ácido hialurónico en estos materiales es muy bajo, lo que conduce directamente a un bajo rendimiento. Además, el proceso de extracción es complejo y las unidades de operación son voluminosas. Se utiliza una gran cantidad de enzimas y disolventes orgánicos, y el alto contenido de impurezas dificulta la purificación, lo que en cierta medida aumenta el coste del ácido hialurónico. Por lo tanto, el ácido hialurónico obtenido por extracción no puede satisfacer las crecientes necesidades de investigación y aplicación. Con el fin de encontrar nuevas fuentes de Huny reducir costos, los investigadores científicos comenzaron a utilizar el método de fermentación para producir ácido hialurónico [7].

El método de fermentación para preparar ácido hialurónico se remonta a la década de 1970, pero no se ha desarrollado a gran escala. No fue hasta 1985 que Shiseido en Japón informó por primera vez el uso de Streptococcus para producir ácido hialurónico, y luego el método de fermentación para preparar ácido hialurónico hizo un gran progreso. Las bacterias productoras de ácido hialurónico reportson principalmente Streptococcus grupos A y C en Berger's Manual, tales como Streptococcus pyogenes (grupo A), Streptococcus zooepidemicus (grupo 200), Streptococcus equi (grupo C), Streptococcus equi grupo C, Streptococcus agalactiae grupo C, y Clostridium perfringens. El grupo A es principalmente Streptococcus piogénicos, un patógeno humano, y no es adecuado como cepa de producción. Actualmente se utiliza raramente. Streptococcus del grupo C no es un patógeno humano y es relativamente adecuado para la producción industrial. En los últimos años, laProducción industrial de ácido hialurónicoEl uso de Streptococcus pyogenes ha alcanzado la etapa industrial en el extranjero. La tabla 1 compara las principales diferencias entre el método de extracción y el método de fermentación [7-9].

Para el método de extracción, la materia prima es diferente, y el proceso de extracción y purificación también es diferente [9]. Por ejemplo, el cockscomb tiene bajo contenido graso yAlto contenido de ácido hialurónico. Después de ser molido, puede ser extraído directamente con agua destilvarias veces o calenta a 40-50°C para su extracción. Se puede obtener una solución de ácido hialurónico con un rendimiento de 0.47%. Para los cordones umbilicales humanos, el contenido de grasa es más alto que el de los panales de pollo. Pueden ser extraídos varias veces con una solución alcalina diluida (pH=8) a 60°C, o extraídos con una mezcla de agua y cloroform(20:1/W:W), y lavados con un volumen igual de cloroformpara desengrasaún más. El rendimiento del ácido hialurónico es de 0,2%. La extracción de ácido hialurónico del humor vítregeneralmente utiliza una solución de NaCl (0,1-1m) como solución de extracción, y el rendimiento puede alcanzar 0,64-2,4%. La piel de cerdo contiene mucha grasa y es dura y no se muele fácilmente, por lo que generalmente se licuen en una solución de NaOH a 37°C durante un período de tiempo, y luego se neutraliza con ácido acético al 50%. Aunque el rendimiento de ácido hialurónico puede alcanzar alrededor del 0,7%, el proceso de purificación es relativamente complicado.

elCalidad del ácido hialurónicoLa preparación mediante el método de fermentación depende principalmente de los cuatro aspectos siguientes: selección de cepas, adecuación del medio, optimización del proceso de fermentación y proceso de separación y purificación. Las ventajas del método de fermentación biológica son que el producto no está limitado por los recursos de materia prima, el proceso es sencillo y el costo es bajo. Por lo tanto, el método de fermentación se prefiere actualmente para la preparación de ácido hialurónico. Las principales bacterias utilizadas en el método de fermentación para producir ácido hialurónico son Streptococcus zooepidemicus, Streptococcus equi y Streptococcus equilike.

Métodos de fermentaciónProduciendo ácido hialurónicoSe dividen en fermentación aeróbica y fermentación anaeróbica. La fermentación aeróbica tiene un alto rendimiento y produce ácido hialurónico con un alto peso molecular. Durante el proceso de fermentación, la temperatura suele ser de 37°C, y el valor de pH debe ser controlado dentro del rango de 6.0-8.5. Un ambiente con demasiado ácido o álcali afectará el crecimiento de las bacterias y reducirá el rendimiento de ácido hialurónico. Diferentes tasas de disolución de oxígeno también se pueden utilizar en diferentes etapas de fermentación para aumentar el rendimiento de ácido hialurónico. Además, la viscodel caldo de fermentación puede reflejar directamente el rendimiento de ácido hialurónico. La pseudoplasticidad del ácido hialurónico hace que la viscode la solución disminua a altas velocidades de corte. Altas tasas de agitación pueden aumentar significativamente el peso molecular del ácido hialurónico, pero una velocidad demasiado alta puede destruir las moléculas y reducir el peso molecular del ácido hialurónico. Por lo tanto, la velocidad de agitación se controla normalmente a 100-800 r/min. El rendimiento del ácido hialurónico también se puede aumentar añadiendo una pequeña cantidad de uracilo, glutamina y ácido aspártico al caldo de fermentación, o añadiendo lisozima [10-13].

En la actualidad, la extracción de HA en China se encuentra todavía en la etapa de utilizar cordones umbilicales humanos y peines de pollo como materias primas. La universidad de Shanghai ha reportado un método para extraer ácido hialurónico de la piel de cerdoPeso molecular del ácido hialurónicoProducido es de aproximadamente 106. Algunas personas utilizan la fermentación microbiana para producir ácido hialurónico, y se ha informado que el rendimiento es de 4,6 g/l, pero el peso molecular es de sólo 500.000. Además, algunas personas también han utilizado los rayos γ combinados con mutagénesis por campo magnético para obtener cepas de alto rendimiento de ácido hialurónico. Por ejemplo, Chen Yonghao [14] utilizó radiación ultravioleta y radiación de rayos 60Co-γ para mutar y obtuvo una cepa de bacterias no hemolínc1150, lo que aumentó el rendimiento y el peso molecular relativo del HA.

2 mejora de las propiedades del ácido hialurónico como biomaterial

Ácido hialurónico puroTiene las desventajas de ser fácilmente soluble en agua, rápidamente absorbido, tener un corto tiempo de residencia en los tejidos, y las propiedades mecánicas pobres, lo que limita su uso en situaciones donde se requiere dureza del material y resistencia mecánica. Para que el ácido hialurónico sea más utilizado en el campo de los biomateriales, es necesario modificarlo químicamente para optimizar sus propiedades y ampliar su ámbito de aplicación. Para mejorar las propiedades mecánicas del ácido hialurónico y controlar su tasa de degradación, el ácido hialurónico puede ser modificado químicamente o reticul. El ácido hialurónico tiene grupos funcionales tales como hidroxilo, carboxilo y acetamido, y puede ser modificado por reticul, esterificación, injerto, modificación molecular y composición. El ácido hialurónico modificado químicamente posee claramente las principales propiedades de los ácidos carboxílicos y /o alcoholes. Los ácidos carboxílicos y alcohoson modificados por esterificación, y combinados con compuestos de hidrazina, ditiotreitol o disulfur[3,6]. Después de la modificación, el ácido hialurónico está dotado de una serie de buenas propiedades tales como resistencia mecánica, viscoelas, propiedades reológicas y resistencia a la degradación de hialuronidasa, manteniendo su biocompatibilidad original.

2.1 reticulcovalente del ácido hialurónico con polietilenglicol

La investigación actual muestra que las propiedades mecánicas y la tasa de degradación de los geles de ácido hialurónico reticulpueden ser controlados por el grado de reticuly el peso molecular de la molécula reticul. El ácido hialurónico puede ser cruzado covalentemente con polietilenglicol diaminas en varios grados de reticul. El polietilenglicol fue elegido como la molécula de reticulporque es biocompatiblee hidrófila. El PEGes soluble en solución acuosa y está disponible comercialmente en diferentes pesos moleculares. Las propiedades elásticas del gel están aseguradas por las cadenas de PEGdeform, mientras que las propiedades mecánicas están aseguradas por la estructuraCadenas estables de ácido hialurónico.

Se ha estudiado la influencia del grado de reticulen las propiedades mecánicas y el comportamiento de degradación de geles de ácido hialurónico. Los geles de ácido hialurónico se preparan a partir de ácido hialurónico reticulcovalente y dos pesos moleculares diferentes de polietilenglicol en varios grados de reticul. Los experimentos han demostrado que como el grado teórico de reticuldeGeles de ácido hialurónicoAumenta de 0 a 20%, el módulo elástico aumenta gradualmente. Sin embargo, cuando el grado teórico de reticulaumentó a más del 20%, el módulo elástico disminuyó. Cuando el grado teórico de reticulera del 20%, el módulo elástico aument, y el peso molecular de las moléculas reticuldisminuía. A un grado teórico de reticuldel 20%, la tasa de degradación in vitro de los geles de ácido hialurónico disminuyó con una disminución en el peso molecular de las moléculas reticul. A medida que el grado de reticulteórico aumenta de 0 a 20%, la tasa de degradación del ácido hialurónico reticuldisminuye. Sin embargo, cuando el grado teórico de reticulse eleva por encima del 30%, no hay diferencia significativa en la tasa de degradación [15,16]. Un mayor desarrollo de los geles de ácido hialurónico mediante la investigación en profundidad de sus propiedades mecánicas controladas y tasas de degradación proporcionará una amplia gama de aplicaciones de materiales médicos y biológicos.

Ácido hialurónicoSe modifica por Unión covalente a diaminas de polietilenglicol de diferentes pesos moleculares. Las propiedades mecánicas y la tasa de degradación de los geles de ácido hialurónico reticulpueden ser controladas variando el peso molecular y el grado de reticulde las moléculas reticul. Se ha encontrado que los geles de ácido hialurónico reticultienen propiedades mecánicas controlables y tasas de degradación, que pueden proporcionar una gama más amplia de aplicaciones biomédicas, tales como el trasplante de células y la administración de fármacos.

2.2 reticuldel ácido hialurónico con compuestos de polihidrazida

El ácido hialurónico puede ser cruzadoCon diferentes compuestos de hidrazida para obtener geles con diferentes propiedades fisicoquímicas bajo diferentes condiciones de reticul. Los reticulde hidrazida hacen que el gel sea resistente a la hialuronidasa. Los experimentos han demostrado que la degradación del gel es independiente de la concentración del agente reticul, lo que indica que la degradación sólo ocurre en la interfaz del gel. La estabilidad de los geles de ácido hialurónico en medios ácidos y su disolución lenta a pH 7.0 indicar su papel potencial en el control de la administración de fármacos en un medio alcalino [15-17].

Los compuestos de hidrazida pueden ser utilizados como agentes reticul.Modificar el ácido hialurónicoHidrogeles en geles más mecánicamente rígidos y quebradizos. El ácido hialurónico puede convertirse en un ha-adipodihidrazida estable (HA-ADH) derivado en presencia de una gran cantidad de dihidrazida adipica [18]. Paul Bulpitt [19] y otros han demostrado que la modificación química del ácido hialurónico por hidrazida compuestos éster intermediarios con resistencia a la hidróliy sin actividad de reordenamiento puede formarse. Se han sintetizado nuevos hidrogeles con buena biocompatibilidad como la ha-hidrazida y la ha-amida, y en cierta medida se ha reducido la solubilidad en agua para conseguir el efecto de los fármacos de liberación lenta [20].

Ácido hialurónico 2.3 cruzado con disulfur.

El ácido hialurónico puede ser cruzado con disulfur. Por ejemplo, una cierta cantidad de hidrazinóli3,3' ácido ditiopropiónico (DTP) puede ser añadido a una solución acuosa de ácido hialurónico, y el pH de la solución de reacción puede ser ajustado de ácido a base usando HCl y NaOH.Se añade carbodiimida sólida (EDC) durante el proceso, y finalmente, la separación, liofilización y purificación se pueden utilizar para obtener un mercaptoDerivado del ácido hialurónico(HA-DTPH) [20].

Los experimentos han demostrado que el disulfide-crosslinkedDerivado del ácido mercapto-hialurónicoEl gel (HA-DTPH) se degrada lentamente tanto in Vivo vivocomo in vitro, y la tasa de degradación puede ser controlada cambiando el grado de reticuldel disulfur. Al mismo tiempo, los geles de ácido hialurónico tienen potenciales aplicaciones clínicas en la cicatride heridas y reparación de tejidos [21].

2.4 esterificación del ácido hialurónico

Carboxyl esterification

The Grupo carboxilo del ácido hialurónicoPuede sufrir esterificación con alcohograsos o alcohoaromáticos para formar derivados esterificados [21]. Después de la esterificación, las propiedades reológicas de la solución de HA se mejoran significativamente, formando una estructura de red coloidal débil. La solubilidad de los derivados esterificados de ácido hialurónico disminuye con el aumento del grado de esterificación, y los derivados altamente esterificados son insolubles en agua. Además, el grado de esterificación tiene un efecto significativo en la tasa de degradación. Esto puede deberse a que los fragmentos hidrofóbicos de la sustancia completamente esterificada hacen que la red de cadenas polimérisea más rígida y estable, haciéndola menos susceptible a la degradación enzim. La sustancia parcialmente esterificada es más deformable y más fácil de combinar con el agua.

Derivados esterificados de ácido hialurónicoPuede ser hecho en películas y fibras usando algunos métodos de proceso convencionales, liofilizado en esponjas, o preparado en microesferas por pulveri, secado, extracción y evapor, y puede ser utilizado como materiales portadores para la liberación controlada de fármacos. Además, este tipo de derivado esterificado del ácido hialurónico puede ser utilizado en el desarrollo de piel artificial y cartílago artificial, el cultivo de células madre mesenquimales, y también para propósitos anti-biofouling y anti-corrosión [20].

hidroesterificación

Si el anhídributírico yla sal de trimetilpiridina del ácido hialurónico de bajo peso molecular se reaccionen en dimetilformamida (DMF) que contiene dimetilaminopirimidina, el ácido butírico se puede acoplahialurónicaacid. Como el ácido butírico puede inducir la diferenciación celular e inhibir el crecimiento de células tumorales, el butirato hialuronano puede usarse como un nuevo material del sistema de administración de fármacos.

Esterificación interna

Esterificación interna deDerivados del ácido hialurónicoSe logra mediante enlaces intramoleculares e intermoleculares entre los grupos hidroxilo y carboxilo del ácido hialurónico. Pressato [22] y Belini [23] et al. pretrataron una solución de dimetilsulfóxido (DMSO) de ácido hialurónico con trietilamina, convirtiendo ácido hialurónico a [R4N] +HA.La 2-cloro-1-metiliodopiridina fue utilizada como agente de enlace cruzado para causar la esterificación interna del ácido hialurónico, produciendo derivados de la lactona hialurónica con esterificación intramolecular e intermolecular. Este método puede ser usado en cirugía para reducir adherencias después de cirugía abdominal y cirugía obstétrica y ginecológica. El derivado esterificado interno del ácido hialurónico también puede ser utilizado como un andamio para la reparación de daño tisuly la regeneración de cartílago y hueso.

Modificación de 2,5 injer

Ácido hialurónicoSe puede injersobre polímeros naturales o sintéticos utilizando agentes reticulpara formar nuevos materiales con propiedades biomecánicas y fisicoquímicas modificadas [20].

El proceso se muestra en la figura 2. El HA también puede injertarse en la superficie de los liposomas para proporcionar efectos de selección y protección, como se muestra en la figura 3.

despuésEl ácido hialurónico es modificadoCon dihidrazida para formar el derivado HA-ADH, las moléculas del fármaco se pueden unir a HA-ADH para formar fármacos Unidos a HA-ADH. El ácido hialurónico puede proporcionar nuevos fármacos dirigidos y liberación controlada. El proceso general es el siguiente: después de que la dihidrazida se une a HA, el NH2 restante de la hidrazida se puede reconectar con otros grupos carboxilo en la molécula de HA, y se producirá el interenlacesintra o intermolecular. Al mismo tiempo, el NH2 restante puede ser conectado al sitio activo del fármaco para enlazel fármaco al ácido hialurónico, o el fármaco puede ser conectado primero a la polihidrazida y luego injertado a la molécula de HA para obtener un sistema de fármaco unido al ácido hialurónico. La estructura se muestra en la figura 4.

Modificación de compuestos 2.6

El ácido hialurónico es una molécula no antigénicaQue puede usarse en combinación con otros materiales sin causar inflamación o una respuesta inmune. Por ejemplo, el ácido hialurónico puede ser combinado con colágeno [20], que es la principal proteína estructural en la matriz extracelular. La combinación de ácido hialurónico y colágeno le da buenas propiedades mecánicas. El ácido hialurónico también se puede combinar con quitosano (CS) y gelatina [20], para formar un material compuesto CS-Gel-HA (ácido quitosan-gelatinhialurónico). Este material compuesto puede mejorar eficazmente la adhesión de las células a la superficie del material, aumentar la tasa de supervivencia de las células en la superficie del material, y permitir a las células para entrar en el ciclo normal de crecimiento y proliferación tan pronto como sea posible. El ácido hialurónico también puede ser compuesto con polímeros sintéticos como el poli (lactico-glicoli) (PLA/PLGA), que es un polímero sintético no tóxico, totalmente biodegradable que es fácil de procesar, degradable y tiene una tasa de degradación controlable. La mezcla de PLA o PLGAcon HA [24] puede reducir la tasa de degradación del HA y prolongar el tiempo que permanece en el tejido.

3 aplicación del ácido hialurónico en el campo de los biomateriales

Derivados del ácido hialurónico Obtenido a través de la modificación puede mejorar las propiedades específicas según sea necesario, lo que amplía enormemente la aplicación del ácido hialurónico en el campo de los biomateriales. En la actualidad, el ácido hialurónico o sus derivados se utilizan en diversos campos, incluyendo anti-adhesión quirúrgica, tratamiento de la artritis, tratamiento de enfermedades oftálmicas, portadores locales de administración de fármacos, ingeniería de tejidos, etc. [25-29]. La aplicación de diferentes productos de ácido hialurónico modificado se muestra en la tabla 2.

4 conclusión

En este artículo seMétodos de preparación del ácido hialurónicoYla modificación y composición del ácido hialurónico. En la actualidad, la investigación sobre la preparación, modificación y composición del ácido hialurónico ha progresado satisfactoriamente, pero aún queda mucho camino por recorrer antes de que pueda ser utilizado en aplicaciones clínicas. Además, el ácido hialurónico es un tipo de material bioabsorbible con alta viscoelas, plasticidad, permeabilidad y propiedades reológicas únicas, así como una buena biocompatibilidad. Debido a sus fuertes propiedades hidratantes y buena biocompatibilidad, también se ha convertido en una importante materia prima para aplicaciones biomédicas. Es ampliamente utilizado en oftalmología, ortopedia, e incluso se extiende a la cirugía, pediatría, neurología y otros campos. Además, el ácido hialurónico puede prevenir eficazmente la adhesión postopersin efectos secundarios. También se puede utilizar como un portador de liberación de fármacos y es un nuevo material biomédico popular. Sin embargo, el ácido hialurónico también tiene deficiencias que necesitan ser compenspor diversas modificaciones químicas para mejorar su resistencia mecánica, resistencia a la degradación de hialuronidasa, etc. Los métodos comunes de modificación incluyen cross-linking, esterificación, injerto, modificación molecular y composición. Por lo tanto, continúa la investigación en profundidad sobre el ácido hialurónico. La investigación actual se centra en mejorar las propiedades de los geles de ácido hialurónico y hacerlos más inteligentes, con el fin de promover un uso más amplio de estos materiales en el campo de los biomateriales.

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