نام براکونوت2 کیتین را از قارچ استخراج کرد. سپس روگت در سال 1859 کیتوسان را از فرآیند استیل زدایی بازی کیتین در حضور پتاسیم هیدروکساید به دست آورد و در نهایت در سال 1950 ساختار آن به طور کامل کشف شد. کیتین و کیتوسان به‌عنوان یک آمینو پلی ساکارید طبیعی که دارای ساختمان بی نظیر و خصوصیاتی چند منظوره هستند به طور وسیعی در پزشکی و صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله خصوصیات بارز آنها می‌توان به زیست سازگاری بالا، زیست تخریب پذیر بودن و دارا بودن خواص ضد باکتری و ضدحساسیت در کنار سمیت پایین اشاره کرد.
ساختار کیتین و کیتوسان
سلولز و کیتین هر دو پلی ساکاریدهایی هستند که نقش حفاظتی را به ترتیب برای گیاهان و جانوران ایفا می‌کنند به طوریکه گیاهان سلولز را در دیواره سلولی و حشرات و سخت پوستان کیتین را در پوسته خود تولید می کنند. ساختارهای سلولز و کیتین شباهت بسیار زیادی با یکدیگر دارند در سلولز گروه‌های هیدروکسیل در موقعیت کربن شماره 2 با گروه های استامید جایگزین شده و در مورد کیتوسان گروه‌های آمین جایگزین گروه‌های هیدروکسیل در سلولز شده اند. شکل 2-1طرح‌واره‌ای از فرمول ساختاری واحدهای منومری سلولز، کیتین و کیتوسان را نمایش می دهد.
شکل ‏2-1: ساختار واحدهای منومری سلولز، کیتین و کیتوسان[2]
کیتین دارای فرمول شیمیایی (C8H13O5N)n و کیتوسان دارای فرمول شیمیایی (C6H11O4N)n می باشند. شکل 2-2ساختار شیمیایی کیتین و کیتوسان را نمایش می دهند.
شکل ‏2-2 ساختار شیمیایی پلیمرهای کیتین و کیتوسان[2]
کیتوسان مشتقی از کیتین است. تعداد گروه های استیل موجود روی زنجیر پلیمر، تفاوت بین این دو پلیمر را مشخص می کند. پلیمری که 100 درصد گروه‌های آمین آن استیل دار شده باشند را کیتین و پلیمری که بدون گروه آمیدی(100 درصد گروه آمین) را کیتوسان می نامند. به طور قراردادی وجود 50 درصد گروه‌های آمیدی به‌عنوان مرز بین کیتین و کیتوسان در نظر گرفته می شود. یعنی پلیمر با درجه استیل زدایی کمتر از 50 درصد را کیتین و پلیمر با درجا استیل زدایی بیشتر از 50 درصد را کیتوسان می نامند.
کیتین در حالت جامد دارای 3 شکل متفاوت است که با نامهای آلفا (?)، بتا (?) و گاما (y) شناخته می‌شوند. در صد فراوانی کیتین آلفا در طبیعت بیشتر از دو حالت بتا و گاما می باشد. آلفا کیتین در دیواره سلولی قارچ‌ها و پوسته سخت پوستانی همچون میگو و خرچنگ، بتا کیتین از دیاتومه و بازوهای ماهی مرکب و گاما کیتین( که دارای درصد کمی در طبیعت می باشد) به صورت ترکیبی از آلفا کیتین و بتا کیتین یافت می‌شوند. جهت گیری متفاوت زنجیره ای پلیمری باعث بروز چنین اختلافی در کیتین ها شده است؛ به طوریکه گروه‌های استیل با ایجاد پیوند هیدروژنی درون زنجیره ای و برون زنجیره ای بین گروه‌های استیل کربن شماره 2 و هیدروکسیل موجود در پلیمر، نقش مهمی در این شکل گیری ایفا می کنند. اگر جهت گیری تمام زنجیره های پلیمری در یک راستا باشند آن را آلفا کیتین می نامند. در این حالت زنجیره ها می‌توانند علاوه بر پیوند های هیدروژنی درون زنجیره ای، پیوندهای هیدروژنی برون زنجیره ای نیز داشته باشند و باعث افزایش استحکام ساختار شوند؛ ولی در مورد بتا کیتین جهت گیری زنجیره ها فقط اجازه تشکیل پیوند های درون زنجیره ای را می دهد. همچنین در مورد گاما کیتین جهت گیری زنجیره ها به صورت تصادفی است. شکل 2-3 طرح‌واره‌ای از جهت گیری زنجیره ها در انواع کیتین را نمایش می دهد.
شکل ‏2-3 جهت‌گیری زنجیره ها در گاما، بتا و آلفا کیتین[2]
خصوصیات کیتین و کیتوسان
بیشتر پلی ساکارید های موجود در طبیعت از جمله سلولز، دکسترین، پکتین، آلجینیک اسید و غیره به صورت خنثی و اسیدی می باشند درحالی‌که کیتین و کیتوسان به صورت بازی در طبیعت موجود هستند. وجود این خاصیت منحصر به فرد آنها را قادر می سازد تا به صورت شیمیایی با چربی‌ها، پروتئین ها، DNA، RNA، و یون‌های فلزات سنگین پیوند های شیمیایی برقرار کند. کیتین به دلیل خاصیت چربی دوستی بالا در آب و بسیاری از حلال های آلی نامحلول است اما کیتوسان در محلولهای اسید رقیق و pH کمتر از 6 قابل حل می باشد.
خصوصیات فیزیکی و شیمیایی کیتین و کیتوسان
از جمله اصلی ترین پارامترهایی که بر خواص کیتین و کیتوسان تاثیر مستقیم می گذارند می‌توان به وزن ملکولی، درجه استیل زدایی و میزان بلورینگی آنها اشاره کرد. لازم به ذکر است در بحث سامانه‌های دارورسانی و کاربردهای انسانی علاوه بر موارد بالا باید به درصد خلوص، میزان رطوبت و میزان پروتئین موجود در آنها نیز توجه کرد.
کاربردهای کیتین و کیتوسان
حلالیت پایین کیتین، مهم‌ترین عامل محدود کننده مصرف این پلیمر زیست سازگار محسوب می شود. علیرغم این محدودیت، تا کنون کاربرد های زیادی از کیتین و مشتقاتش گزارش شده است. از این رو کیتوسان به دلیل وجود گروه‌های آمینی آزاد در طول زنجیر پلیمر و توانایی تشکیل کیلیت و حلالیت خوب در اسید های ضعیفی چون اسید استیک، جایگاه مناسبی را در بین پلی ساکاریدها به خود اختصاص داده است. الیاف ساخته شده از کیتین و کیتوسان برای تهیه نخ های بخیه قابل جذب و همچنین تهیه پارچه هایی جهت بهبود زخم بسیار مؤثر هستند. همچنین محققانی در سالهای دور توانسته اند با استفاده از این الیاف یون‌های فلزات سنگین را از آب و فاضلاب جذب کنند[3].
گرافن
گرافن یک ورق مسطح با ضخامت nm1 (یک اتم) است که از اتم‌های کربنی تشکیل شده است که در یک شبکه بلوری لانه‌زنبوری جای گرفته اند. گرافن عنصر مادر سایر آلوتروپهای کربن از جمله گرافیت، نانولوله های کربنی و فولرن است[4], [5]. طبیعت گرافیت به‌عنوان یک ماده معدنی نزدیک به 500 سال است که شناخته شده می باشد. بااین‌حال گرافیت به علت برخوردار بودن لایه های کربنی بر روی همدیگر دارای ساختاری متزلزل است.زیرا این لایه ها تنها با پیوندهای واندروالسی به یکدیگر وصل شده اند. در سال 2004 ژیم3 همکارانش در دانشگاه شهر منچستر توانستند لایه های منفرد کربنی را به دست آورند. این کشف انقلابی، بعد جدیدی از علم را به تحقیقات علم فیزیک، شیمی، زیست فناوری و مواد اضافه کرده است.گرافن باریکترین ماده شناخته شده تا کنون است که دارای هدایت الکتریکی عالی، هدایت حرارتی،شفافیت نوری و همچنین ضریب انبساط حرارتی پایین می باشد.ویژگی های منحصر به فرد گرافن علاقه بسیار زیادی را در بین دانشمندان جهان و همینطور صنعت و فناوری به خود جلب کرده است. به تازگی، از گرافن به‌عنوان جایگزین پرکننده های نانویی مبتنی بر کربن در تهیه نانو کامپوزیت‌های پلیمری استفاده می شود. زیرا استفاده از این نانوذره خواص مکانیکی،الکتریکی و حرارتی پلیمرها را تاحد بسیار زیادی بهبود می بخشد. انتظار می رود که در آینده نزدیک استفاده از این نانوذره در ساخت دستگاههای زیستی الکترونیکی تا حد بالایی افزایش یابد. همچنین گرافن به علت هدایت الکتریکی عالی و انعطاف پذیری مکانیکی بالا قادر است تا جایگزین مواد هادی فلزی در دستگاههای الکترونیکی شود. همچنین گرافن به دلیل داشتن سطح مقطع بالا و قابلیت عامل دار شدن با گروه‌های عاملی مناسب در سالیان گذشته مورد توجه بسیاری از دانشمندان جهان جهت جذب یون‌های فلزات سنگین از آب قرار گرفته است. در شکل 4-2 تک لایه گرافن و ساختار لانه زنبوری آن مشاهده می شود که این ساختار عنصر مادر و تشکیل دهنده مواد دیگر همچون گرافیت و کربن و فولرن و کربن نانولوله می باشد.
شکل ‏2-4 ساختار لانه‌زنبوری گرافن که عنصر مادر و تشکیل دهنده مواد دیگر همچون گرافیت و کربن و فولرن و کربن نانولوله می باشد[4]
کاربرد کیتین و کیتوسان در حذف یون‌های فلزات سنگین
یون های فلزات سنگین یکی از مهم‌ترین دسته های آلاینده‌های آب هستند که از طریق هرم مواد غذایی وارد بدن انسان ها شده و مشکلات بسیار زیادی را برای آنها ایجاد می کنند.یون های فلزات سنگین از طریق فعالیت های صنعتی مختلف وارد محیط زیست شده و سبب آلودگی آن می‌شوند. کیتین و کیتوسان و مشتقات آنها به طور گسترده به‌عنوان جاذب در حذف یون‌های فلزات سنگین از آب و فاضلاب مورد استفاده قرار می گیرند. پتانسیل جذب بالا در کیتوسان را می‌توان به سه دلیل دانست:
الف – آبدوستی بالای کیتوسان به دلیل دارا بودن تعداد زیادی گروه‌های هیدروکسیل موجود در واحدهای گلوکز
ب – حضور تعداد زیادی از گروه‌های عاملی در ساختار(همانند گروه‌های آمینی)
ج – واکنش پذیری شیمیایی بالای این گروه‌های عاملی
د – ساختار انعطاف پذیر زنجیره های پلیمری این ماده.[6]
کادمیوم و ترکیبات آن حتی در غلظت های بسیار کم برای موجودات زنده و زیست بوم طبیعی به شدت سمی هستند.بیماری شناخته شده “اوچ اوچ4” در ژاپن که منجر به شکستگی های متعدد در بدن می شود، با کادمیوم در ارتباط است. کیتین به‌عنوان یک جاذب در حذف یون کادمیوم از محلول آبی توسط محققان مورد استفاده قرار گرفته است.[7]در این تحقیق ظرفیت جذب برای کیتین 14mg از یون کادمیوم به ازای 1 gr کیتین مشاهده شد. همچنین در تحقیق دیگری از میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) جفت شده با پراش اشعه ایکس نیز جهت بررسی و مشاهده گره های حاوی کادمیوم در سطح کیتین و به تعادل رسیدن کادمیوم و کیتین استفاده شد. محققان اثر تاثیر یون‌های فلزی مس و روی دو ظرفیتی را بر جذب کادمیوم در دمای ?25 و در شرایط ثابت بررسی کردند[8]. میزان جذب یون‌های فلزات سنگین به صورت زیر گزارش شد:
مس> کادمیوم>روی
یون روی دو ظرفیتی بر افزایش میزان جذب یون‌های کادمیوم توسط روی در شرایط آزمایش تاثیر گذاشته بود؛ در حالی که حضور یون مس دوطرفیتی سبب کاهش میل جذب کادمیوم توسط کیتین شده بود.
راندمان حذف یون کادمیوم توس