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Hydration of polysaccharides by the use of hyaluronan as a model system

Die Wechselwirkungen zwischen Polysacchariden und Wasser am Beispiel der Modellsubstanz Hyaluronan

  • The polysaccharide hydration phenomenon is nowadays the subject of intense research. The interaction of native and modified polysaccharides and polysaccharides-based bioconjugates with water has an important influence on their functional behaviour. Notwithstanding that the hydration phenomenon has been studied for decades, there is still a lack of awareness about the influence of hydration water on the polysaccharide´s structure and consequences for industrial or medicinal applications. The hydration of polysaccharides is often described by the existence of water layers differing in their physical properties depending on the distance from the polysaccharide. Using the differential scanning calorimetry (DSC) such water layers were categorized according their properties upon cooling in hyaluronan (HYA, sodium salt of ß-1,4-linked units of ß-1,3-linked D-glucuronic acid and N-acetyl-D-glucosamine), a model polysaccharide in the present work. The amount of non-freezing water, i.e. water in close proximity of HYA chain which does not freeze et all, was determined around 0.74gH2O/gHYA for HYA with molecular weight from 100 to 740kDa and 0.84gH2O/gHYA for molecular weight of 1390kDa. The amount of freezing-bound water, the water pool which is affected by presence of HYA but freezes, was determined in the range from 0.74 to 2gH2O/gHYA. Above this value only non-freezing and bulk water are present since melting enthalpy measured above this concentration reached the same value as for pure water. Since this approach suffers from several experimental problems, a new approach, based on the evaporation enthalpy determination, was suggested. The analysis of the evaporation enthalpies revealed an additional process associated with apparent energy release taking part below the water content of 0.34gH2O/gHYA. Existence of this phenomenon was observed also for protonated form of HYA. The existence of energy compensating process was confirmed with the Kissinger-Akahira-Sunose method which allowed determination of actual water evaporation/desorption enthalpies in all stages of the evaporation process. In fact, the apparent evaporation enthalpy value increased until water content of 0.34gH2O/gHYA, and then dropped down to lower values which were, still higher than the value of the pure water evaporation enthalpy. By the use of time domain nuclear magnetic resonance (TD-NMR) technique it was revealed that this phenomenon is the plasticisation of HYA. Further, it was revealed that the non-freezing water determined by the use of DSC consists of two water fractions, i.e. 15% of water structurally integrated, interacting directly with polar sites, and 85% of water structurally restricted, embedded in-between the HYA chains. The occurrence of plasticisation concentration close to equilibrium moisture content provided the possibility to influence the HYA physical structure during the drying. In this way three samples of native HYA, dried under various conditions were prepared and their physical properties were analyzed. The samples differed in kinetics of rehydration, plasticisation concentration, glass transitions, and morphology. The properties of water pool were studied in solutions of 10"25mg HYA/mL as well. The fast filed cycling (FFC) NMR relaxometry showed the existence of three water fractions which correlation times spanned from 10"6 to 10"10 seconds, progressively decreasing in dependency on its distance from HYA chain. The formation of a weak and transient intramolecular water bridge between HYA chains was observed. It was shown that, unlike the inorganic electrolytes, polyelectrolytes hydration is a dynamic process which reflects not only the technique used for the analysis, experimental conditions but also the conformation of the polysaccharide and its "thermal" and "hydration" history. It was demonstrated that some native polysaccharide structures can be easily modified by manipulation of preparation conditions, giving fractions with specific physicochemical properties without necessity of any chemical modification.
  • Die Wasseraufnahme von Polysacchariden wird derzeit intensiv erforscht. Wechselwirkungen zwischen Wasser und herkömmlichen oder modifizierten Polysacchariden und Polysaccharid-basierten Biokonjugaten bestimmen maßgeblich deren Funktionalität. Trotz intensiver Forschung gibt es weiterhin eine Reihe offener Fragen darüber, wie Wasser die Struktur der Polysaccharide beeinflusst und welche Konsequenzen das für ihre industrielle und medizinische Anwendung hat. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Polysacchariden werden oft durch übereinanderliegende "Schichten" von Wasser verbildlicht, dessen physikalische Eigenschaften sich in Abhängigkeit vom Abstand zur Polysaccharid-Moleküloberfläche verändern. In der vorliegenden Arbeit wurden solche "Wasserschichten" in dem Modell"Polysaccharid Hyaluronan (HYA), einem Natriumsalzsalz bestehend aus ß -1,4-Verknüpfungen der ß -1,3-verknüpften D-Glucuronsäure und des N-Acetyl-D-Glucosamins, untersucht. Mithilfe der Dynamischen Differenzkalorimetrie (engl.: Differential Scanning Calorimetry, DSC) können diese Wasserschichten hinsichtlich ihres Gefrierverhaltens unterschieden werden. Bei HYA-Molekülgewichten von 100 bis 740kDa betrug die Menge "nicht gefrierbaren" Wassers, d.h. von Wasser in unmittelbarer Nähe der HYA Molekülketten, 0.74gH2O/gHYA und bei einem Molekülgewicht von 139kDa betrug sie 0.84gH2O/gHYA. Die Menge von "gefrierbar gebundenem" Wasser, also des Anteiles, der zwar noch vom HYA Molekül beeinflusst wird, aber trotzdem gefrierbar ist, betrug zwischen 0.74 und 2gH2O/gHYA. Oberhalb dieses Wassergehaltes liegt nur "nicht gefrierbares" und "freies" Wasser vor, da die Schmelzenthalpie bei höheren Wassergehalten der von reinem Wasser entspricht. Die Charakterisierung der Wasserbindung durch die Bestimmung von Schmelzenthalpien unterliegt experimentellen Einschränkungen. Daher wurde ein neuer Ansatz basierend auf der Bestimmung von Verdampfungsenthalpien vorgeschlagen. Verdampfungsenthalpien von HYA unterhalb eines Wassergehaltes von 0.34gH2O/gHYA wiesen auf einen zusätzlichen möglicherweise exothermen Prozess hin, der auch in der protonierten Form des HYA beobachtet werden konnte. Dieser Prozess wurde durch die Kissinger-Akahira-Sunose Methode bestätigt, die Bestimmung der tatsächlichen Verdampfungs und Desorptionsenthalpien des Wassers in allen Stadien des Verdampfungsprozesses erlaubt. Tatsächlich nahm die scheinbare Verdampfungsenthalpie bis zu einem Wassergehalt von 0.34gH2O/gHYA zu und sank dann wieder zu niedrigeren Werten ab, die allerdings immer noch deutlich über der Verdampfungsenthalpie von reinem Wasser lagen. Mithilfe von zeitlich aufgelöster Kernspinresonanz Technik (engl.: Time Domain Nuclear Magnetic Resonance, TD-NMR) wurde gezeigt, dass es sich bei besagtem Prozess um die Plastifizierung von HYA handelt. Außerdem konnte das mithilfe der DSC bestimmte "nicht gefrierbare" Wasser in zwei weitere Fraktionen unterteilt werden. Ein Anteil von 15% dieses Wassers tritt direkt in Wechselwirkung mit den polaren funktionellen Gruppen und wird als "strukturell integriertes" Wasser bezeichnet und ein Anteil von 85% ist zwischen HYA Molekülketten eingebettet und wird als "strukturell eingeschränktes" Wasser bezeichnet. Da der Erweichungspunkt in der Nähe des Gleichgewichtswassergehalts liegt, bietet die er die Möglichkeit, die physikalische Struktur von HYA durch Trocknung zu beeinflussen. Dafür wurden drei Proben des ursprünglichen HYA unter unterschiedlichen Bedingungen getrocknet und ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Proben unterschieden sich in der Kinetik der erneuten Wasseraufnahme, im Glasübergangsverhalten und in ihrer Morphologie. Die Eigenschaften der Wasserfraktionen wurden in Lösungen mit 10"25 mg HYA/mL bestimmt. Feldzyklus-NMR (eng.: Fast-field-cycling FFC-NMR) Messungen zeigten drei Wasserfraktionen die mit dem Abstand zur HYA Moleküloberfläche abnehmende Korrelationszeiten zwischen 10"6 bis 10"10 s aufwiesen. Außerdem wurde die Bildung schwacher relativ kurzlebiger Wasserbrücken zwischen den HYA Molekülketten beobachtet. Anders als für anorganische Elektrolyte, ist die Wasseraufnahme durch organische Polyelektrolyte ein dynamischer Prozess, der nicht nur die Analysetechnik und die experimentellen Bedingungen sondern auch die Konformation der Polyelektrolyte und deren thermische und Wassergehalts-Vorgeschichte widerspiegelt. Dadurch können einige Polysaccharidstrukturen nur durch Veränderung der Probenvorbereitung und ohne chemische Modifikationen verändert und Produkte mit spezifischen physiko-chemischen Eigenschaften gewonnen werden.

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Metadaten
Author:Alena Průšová
URN:urn:nbn:de:hbz:lan1-9009
Advisor:Jiri Kucerik
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2013/06/11
Date of publication:2013/06/11
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Landau, Fachbereich 7
Date of final exam:2013/05/17
Release Date:2013/06/11
Tag:Differential scanning calorimetry; Glasübergang; Hyaluronan; Hydratation; Magnetis; Plastifizierung; Polysaccharide; nicht gefrierbares Wasser
Differentia Scanning Calorimetry; Hyaluronan; Hydration; Non-freezing water; Nuclear Magnetic R; Plasticization; Glass transition; Polysaccharides
GND Keyword:Differential scanning calorimetry; Gefrierpunktserniedrigung; Glasumwandlung; Hyaluronsäure; Hydratation; Plastifizieren; Polysaccharide
Institutes:Fachbereich 7 / Fachbereich 7
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
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