Preparation of Activated Chitosan and Synthesis of a Chitosan-Dextran Diblock

Abstract

Blokk-kopolymerer (BKPer) er hybride strukturer bestående av kovalent bundne polymer-segmenter. Et overveid valg av bestående blokker tillater laging av nye materialer med skreddersydde egenskaper. Av spesiell interesse er amfifile BKPer som utviser selvmontering: spontan formasjon av nanopartikler har mottatt mye oppmerksomhet for dets potensielle anvendelse i utvikling av systemer for målrettet leveranse av legemidler. Kitosan, et derivat av kitin, er et polykationisk polysakkarid kjent for sin lave toksisitet og antimikrobielle egenskaper. Denne avhandlingen tar først og fremst for seg aktivering av kitosan ved påkobling av reaktive, bifunksjonelle linkere til kitosanets reduserende ende. Avhandlingen kulminerer med en demonstrasjon av hvordan aktivert kitosan kan benyttes til å syntetisere en kitosan-dekstran diblokk. Fullstendig de-N¬-acetylert kitosan ble depolymerisert ved bruk av salpetersyrling (HNO2) til å gi kitooligosakkarider (KOS) med en svært reaktiv 2,5-anhydro-D-mannofuranose (M-enhet) på den reduserende enden (DnM-type kitosan). Stabiliteten til M-enheten be studert. Av spesiell viktighet ble det funnet at når eksponert for en forhøyet pH i kombinasjon med dehydrasjon ble M-enheten tapt grunnet en ikke-enzymatisk bruningsreaksjon. M-enheten var stabil så lenge mild syrlighet ble vedlikeholdt. Bifunksjonelle linkere adipinsyre dihydrazid (ADH) og O,O’-1,3-propandiylbishydroksyl-amin dihydroklorid (PDHA) ble koblet til den reduserende enden til kitosan via two-pot reduktiv aminering. Både aminering og reduksjon gikk til fullførelse. Reduksjon tok betydelig mer tid enn aminering men kunne gjøres merkbart fortere ved å øke overskuddet av reduksjonsmiddel – i dette tilfellet α-picolin boran. Kobling av ADH var betydelig raskere enn kobling av PDHA. M-enheten var kvintessiell når det gjaldt kobling av linkere. Den normale D-glukosamin(D-enhet)-reduserende enden var i all hovedsak inert sammenlignet med M-enheten. Ende-mot-ende-konjugering av aktivert kitosan og dekstran ble utført med et overskudd av dekstran ved 40 °C. En nyttig metode for å fjerne ukonjugert dekstran ved hjelp av størrelses-eksklusjons-kromatografi (SEK) ble demonstrert.

Block copolymers (BCPs) are hybrid structures comprised of covalently bonded polymer segments. Careful selection of constituent blocks allows for the creation of novel materials with tailored properties. Of special interest are amphiphilic BCPs exhibiting self-assembly; spontaneous formation of nanoparticles has garnered much attention for its potential use in the design of targeted drug delivery systems. Chitosan, a derivative of chitin, is a polycationic polysaccharide known for its low toxicity and antimicrobial properties. This thesis is primarily concerned with activation of chitosan by attachment of reactive bifunctional linkers to its reducing end. The thesis culminates with a demonstration of how activated chitosan can be used to synthesise a chitosan-dextran diblock. Fully de-N-acetylated chitosan was depolymerised by means of nitrous acid (HNO2) to yield chitooligosaccharides (COS) with a highly reactive 2,5-anhydro-D-mannofuranose (M-unit) at the reducing end (DnM-type chitosan). The stability of the M-unit was studied. Importantly, it was found that when exposed to an elevated pH in combination with dehydration, the M-unit is lost due to non-enzymatic browning. The M-unit was shown to be stable as long as mild acidity was maintained. Bifunctional linkers adipic acid dihydrazide (ADH) and O,O’-1,3-propanediylbishydroxyl-amine dihydrochloride (PDHA) were attached to the reducing end of chitosan via two-pot reductive amination. Both amination and reduction was found to go to completion. Reduction took considerably longer than amination but could be appreciably expedited by increasing the excess of reducing agent – in this case α-picoline borane. Attachment of ADH was considerably faster than attachment of PDHA. The M-unit was found to be quintessential for attachment of linker. The normal D-glucosamine (D-unit) reducing end was essentially inert in comparison to the M-unit. End-to-end conjugation of activated chitosan and dextran was performed with an excess of dextran and at 40 °C. A convenient method for removing non-conjugated dextran via size-exclusion chromatography (SEC) was demonstrated.