Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano từ polyme với Ag, Fe3O4 và đánh giá khả năng ứng dụng

Do v y, quá trình.

M U

Lí do ch n đ tài

Trên th gi i, công ngh nano là m t l nh v c còn khá m i

m nh ng đã thu hút đ c s quan tâm r t l n c a c ng đ ng khoa h c, các hãng s n xu t Nhi u thành t u ng d ng công ngh và v t li u nano trong các ngành v t li u đi n t , quang đi n

t , v t li u t , y sinh h c đã đ c ghi nh n

Trong s các v t li u nano sinh h c, nano chitosan (CS) và các

v t li u c u trúc nano trên n n chitosan nh Ag/CS, Fe3O4/CS đã và đang thu hút s quan tâm c a đông đ o các nhà nghiên c u Nh ng

v t li u này có ti m n ng ng d ng to l n trong nhi u l nh v c, đ c

bi t là trong y sinh h c và môi tr ng

Nh ng n m g n đây, các nghiên c u ch t o c m bi n sinh

h c (biosensors) ng d ng trong hóa h c phân tích đã và đang thu hút đ c s quan tâm c a các nhà khoa h c trong và ngoài

n c C m bi n sinh h c đo tín hi u đi n hóa (electrochemical biosensor) đáp ng đ c các yêu c u c a hóa h c phân tích hi n

đ i đó là có kh n ng phân tích nhanh theo th i gian th c time), có đ nh y, đ ch n l c và chính xác cao; thi t b phân tích nh g n, s d ng đ n gi n, có giá thành phù h p Trong c m

(real-bi n sinh h c, các polyme d n đi n nh polypyrol, polyanilin ngày càng đ c ng d ng nhi u, tuy nhiên đ cho c m bi n có đ nh y cao thì v t li u đi n c c ph i có đ d n cao, s trao đ i đi n t d dàng Do đó, vi c pha t p các h t nano kim lo i ho c oxit kim lo i vào PPy và PANi là m t gi i pháp th ng đ c áp d ng

Vì nh ng lí do đã đ c p đ n trên, chúng tôi quy t đ nh ch n

đ tài nghiên c u c a lu n án là ắNghiên c u t ng h p, đ c tr ng

v t li u t h p c u trúc nano t polyme v i Ag, Fe 3 O 4và đánh giá

M c tiêu c a lu n án

- M c tiêu c a lu n án là nghiên c u t ng h p, đ c tr ng hóa lý các v t li u t h p c u trúc nano d a trên n n polyme thiên

nhiên chitosan (CS) và polyme d n polyanilin (PANi), polypyrrol (PPy) v i oxit s t t (Fe3O4) và b c (Ag): nano CS, Ag/CS, Fe3O4/CS, Fe3O4/PPy, Fe3O4/ PANi/PSA Sau đó, nghiên

c u đánh giá kh n ng ng d ng c a các lo i v t li u trên đ c trong y sinh h c và môi tr ng

N i dung c a lu n án

1 Nghiên c u t ng h p, đ c tr ng hóa lý m t s v t li u

t h p c u trúc nano trên n n polyme thiên nhiên chitosan và polyme d n polyanilin (PANi), polypyrrol (PPy) v i oxit s t t (Fe3O4) và b c (Ag): nano CS, Ag/CS, Fe 3 O 4 /CS Fe 3 O 4 /PPy,

Fe 3 O 4 / PANi, Fe 3 O 4 / PANi/PSA c th nh sauμ

- Nghiên c u t ng h p nano CS b ng ph ng pháp khâu

m ch s d ng gossypol, đ c tr ng hóa lý b ng ph ng phápμ ph

h ng ngo i (IR), hi n vi đi n t quét (SEM) và hi n vi đi n t truy n qua (TEM)

- Nghiên c u t ng h p v t li u nano Ag/CS s d ng CS

v a là tác nhân kh v a là tác nhân n đ nh Xác đ nh các thông

s hóa lý c a v t li u b ng ph h p th t ngo i kh ki n Vis), TEM Theo dõi ti n trình ph n ng t o nano Ag/CS b ng UV-Vis Nghiên c u chi ti t đ ng h c c a ph n ng t ng h p v t

(UV-li u nano Ag/CS (xác đ nh b c ph n ng, n ng l ng ho t hóa )

- Nghiên c u g n curcumin (Cur) là ch t có ho t tính tr

li u quý vào nano CS và Fe3O4/CS Nghiên c u kh n ng nh curcumin c a v t li u, nh m đánh giá kh n ng ng d ng nano

- Nghiên c u đánh giá kh n ng h p ph các ion kim lo i

n ng Pb(II), Ni(II), Cr(VI) c a v t li u nano Fe3O4/CS Nghiên

c u chi ti t đ ng h c c a quá trình h p ph Cr(VI), ion khó x

lý và có đ c tính cao nh t trong s nh ng ion trên

Tính m i và sáng t o c a lu n án

- Lu n án đã nghiên c u m t cách chi ti t đ ng h c c a

ph n ng t ng h p v t li u nano Ag/CS T đó, tìm ra đ c y u

t nh h ng đ n quá trình t ng h p v t li u nano Ag/CS S

d ng v t li u Ag/CS đ kháng m t s lo i vi khu n gram d ng, gram âm, n m và c ch 4 dòng t bào ung th

- Lu n án đã nghiên c u kh n ng g n và nh curcumin c a

v t li u nano CS, Fe3O4/CS đây là c s đ có th tích h p curcumin (m t lo i tá d c quý có kh n ng h tr đi u tr ung

th ) và nghiên c u s d n truy n thu c đ n đích d a trên tính

ch t quang c a curcumin

- Lu n án đã nghiên c u t ng h p đ c các lo i v t li u có

kh n ng s d ng làm c m bi n sinh h c đ xác đ nh glucose và cholesterol ây là c s đ có th ch t o c m bi n sinh h c phát

hi n các b nh liên quan t i hàm l ng glucose và cholesterol trong máu

C u trúc c a lu n án

Lu n án g m 111 trang: M đ u 5 trangν Ch ng 1 ậ

T ng quan 32 trangν Ch ng 2 ậ Th c nghi m và các ph ng pháp nghiên c u 8 trangν Ch ng 3 ậ T ng h p đ c tr ng v t

li u t h p c u trúc nano trên n n chitosan 18 trang; Ch ng 4 -

T ng h p đ c tr ng v t li u t h p c u trúc nano trên n n polyme

d n 5 trangν Ch ng 5μ Nghiên c u đánh giá kh n ng ng d ng

c a v t li u t h p c u trúc nano trên n n chitosan, polyanilin, polypyrrol 38 trang; K t lu n 2 trang; Tài li u tham kh o 11 trang; Danh m c các công trình đã công b c a lu n án 2 trang;

V t li u nano chitosan (kí hi u là nano GPCS) đ c t ng

h p b ng cách s d ng gossypol làm tác nhân khâu m ch Nghiên c u t ng h p v t li u nano Ag/CS, trong đó chitosan

đóng vai trò v a là ch t kh v a là ch t bao b c V t li u nano

Fe3O4/CS đ c t ng h p theo ph ng pháp đ ng k t t a

T ng h p theo ph ng pháp đi n hóa v t li u t h p c u trúc nano gi a Fe3O4 v i các polyme: polypyrrol, polyanilin, poly styren và axit acrylic kí hi u là: Fe3O4/PPy, Fe3O4/ PANi/PSA

S d ng ph i k t h p các ph ng pháp v t lý, hóa lý hi n đ i đ nghiên c u c u trúc và đ c tr ng tính ch t c a v t li u nh XRD, TEM, FE-SEM, IR, VSM Nghiên c u s d ng các ph ng pháp hóa lý đ nghiên c u tính ch t ng d ng c a v t li u: UV Vis,

CV, đo dòng

3 T NG H P, C TR NG V T LI U T H P C U TRÚC NANO TRÊN N N CHITOSAN

3.1 V t li u nano gossypol chitosan (GPCS)

3.1.1 C u trúc c a v t li u nano GPCS

S n ph m t o thành (đ c kí hi u là GPCS) là m t các chu i chitosan đ c g n k t v i nhau b i tác nhân khâu m ch gossypol Các v trí h p th chính c a các ch t tham gia và t o

thành c a ph n ng th hi n trong B ng 3-1 Các pic dao đ ng

c a chitosan b c sóng 1564 cm-1 and 1637 cm-1 là dao đ ng

(NậH) [15,16,44], pic b c sóng 1688 cm-1 c a GPCS có th

là nhóm imin CH(OH)ậNHậ [49,51] c a phân t GPCS , pic

b c sóng 3363 cm-1 c a chitosan t ng ng v i dao đ ng (OậH) [15,30] và pic b c sóng 3498 cm-1 t ng ng v i dao

đ ng (OậH) liên k t v i C(sp2) c a vòng phenyl c a gossypol trong CH2Cl2 [16] Do đó pic v trí b c sóng 3427 cm-1 có

th là dao đ ng c a nhóm (OậH) liên k t v i nhóm imin c a GPCS Các pic v trí 1568 cm-1 và 1614 cm-1 t ng ng v i các dao đ ng (C=C) và (C=O) t ng ng v i hi n t ng tautome hóa aldehyde-aldehyde trong gossypol [16, 72, 73] và trong GPCS thì hai pic này d ch chuy n t i các v trí 1564 cm-1 and

1604 cm-1 Tuy không có d li u v c ng h ng t h t nhân, d

li u IR có th cho th y r ng GPCS đã đ c t ng h p thành công thông qua liên k t imin gi a chitosan và gossypol H n n a, s

nm, phân tán t t và không b k t kh i Nh ng tính ch t hình thái này có ý ngh a quan tr ng trong vi c làm t ng di n tích b m t

c a v t li u, góp ph n t ng hi u qu trong vi c s d ng nano chitosan làm ch t d n truy n thu c

3.2 V t li u nano b c/chitosan (Ag/CS)

đ cao (>800C) là c n thi t đ thúc đ y quá trình kh ion b c thành h t nano b c

c) d) e)

Hình 3.8 nh TEM c a các m u

Hình 3.8 là nh TEM c a các m u t ng h p các đi u ki n nhi t đ , n ng đ khác nhau Các h t đ u có d ng hình c u, b

m t nh n và kích th c bi n đ i ph thu c vào nhi t đ ph n ng

180

150

120 90

B ng 3-4 Giá tr t c đ ph n ng các nhi t đ khác nhau

D a vào ph ng trình Arrenius, chúng tôi tính đ c n ng l ng

ho t hóa c a quá trình ph n ng Ea ~79,9 kJ/mol, giá tr này phù

h p v i tính toán c a m t s tác gi khác [17, 95,97]

M t s tác gi đã th c hi n các nghiên c u v kh ion b c trong môi tr ng alcol [97] Theo đó các ion Ag+ b kh và t o thành các h t kim lo i trong khi đó các nhóm (-OH) c a r u bi n thành

nhóm ađehit và axit Trên c s đó, chúng tôi d đoán c ch c a

ph n ng t o thành v t li u Ag/CS x y ra theo các b c sau:

B c 1: Các ion Ag+đ c h p ph vào chitosan

ph c a Ag+ và H+đ i v i nguyên t N (ph ng trình 3.9) Thêm vào đó ph c R-NH2Ag+ đ c đ a vào ph n ng (ph ng trình 3.10) do l c liên k t gi a các ion b c v i nhóm OH trong n c

l n h n l c liên k t v i nit và nhóm amino Do v y, quá trình

đ c coi là g m hai b c: hình thành các h t nano b c trên n n chitosan và hình thành các liên k t gi a h t nano b c v i chitosan Ban đ u, các ion b c đ c phân tán lên b m t c a các phân t chitosan và t ng tác v i nhóm OH đ t o thành các h t

b c oxit (ph ng trình 3.11) Sau đó, các h t b c oxit s b kh

b i chitosan Cùng lúc đó, chitosan-OH b oxy hóa thành các axit

t 1638 t i 1681 cm-1 là bi n đ i nhi u nh t i u đó có th do liên k t c a ion Fe v i các nhóm NH2 c a chitosan Bên c nh đó

t ng tác t nh đi n gi a b m t tích đi n âm c a Fe3O4 và chitosan tích đi n d ng có th gây ra s bi n đ i này [44] Trên

nh TEM (Hình 3.17) các h t Fe3O4 tinh khi t b k t kh i m t

s ch và đ ng kính trung bình kho ng 15-20nm Trong khi đó các h t Fe3O4/CS ít b k t kh i h n và c ng có kích th c l n

h n, kích th c kho ng 25-30nm Trên c s các ph ng pháp phân tích hóa lý trên chúng tôi đã đ xu t c ch t o thành v t

li u nano Fe3O4/CS [35]

Hình 3.17 nh TEM c a Fe3O4 (a) và Fe3O4/CS (b,c)

4 V T LI U T H P C U TRÚC NANO TRÊN N N POLYME D N

4.1 V t li u Fe 3 O 4 /polypyrrol (Fe 3 O 4 /PPy)

Màng Fe3O4/PPy đ c t ng h p b ng ph ng pháp trùng

h p đi n hóa Hình 4.1 trình bày đ c tr ng đi n hóa c a màng

Fe3O4/PPy t ng h p v i s vòng quét CV khác nhau K t qu cho

th y các đ ng đ c tr ng CV t ng d n lên sau m i chu k ch ng

t màng PPy đã hình thành và phát tri n t t trên b m t vi đi n

c c Pt Chúng tôi c ng ti n hành trùng h p màng PPy tinh khi t

đ so sánh, k t qu cho th y t i cùng chu k , c ng đ dòng c a quá trình t o màng Fe3O4/PPy luôn cao h n màng PPy và c th

t i chu k th 20, c ng đ dòng cao h n c 4-5 l n (Hình 4.1)

S gia t ng c ng đ dòng trong ph CV khi trùng h p

Fe3O4/PPy so v i ch trùng h p PPy ch ng t Fe3O4 đóng vai trò

r t quan tr ng làm t ng đ d n đi n ho c/và t ng di n tích b

m t hi u d ng c a màng K t qu ch p ph h ng ngo i đ c đ a

ra t i Hình 4.2 K t qu ch p ph h ng ngo i cho th y vi c t ng

h p đi n hóa màng Fe3O4/PPy trên vi đi n c c Pt đã thành công,

h t nano Fe3O4đã đ c pha t p vào màng polyme PPy

Hình 4.3 nh SEM (a) h t nano Fe3O4 ; (b) màng PPy và (c) màng

Fe3O4/PPy trùng h p b ng ph ng pháp đi n hóa

Hình 4.3.a là nh h t nano Fe3O4 cho th y quá trình ch t o b ng

ph ng pháp đ ng k t t a khá thành công, s n ph m thu đ c

là các h t nano Fe3O4 có kích th c đ ng đ u vào kho ng

20-30nm Khi đ a các h t Fe3O4 đ ng t ng h p cùng polypyrrol

cho th y nh ng c u trúc tinh th d ng h t r t rõ trên b m t c u

trúc hoa l (cauliflower) đ c tr ng c a màng PPy (Hình 4.3.b

và Hình 4.3.c t ng ng)

4.2 V t li u nano Fe 3 O 4 /polyanilin/poly(styrene-co-acrylic acid) (Fe 3 O 4 / PANi/PSA)

nh SEM và TEM c a các h t nano Fe3O4 ch ng t các

t ng h p thành công màng PANi/Fe3O4/PSA

5 NGHIÊN C U ỄNH GIỄ KH N NG NG D NG

C A V T LI U T H P C U TRÚC NANO TRÊN N N CHITOSAN, POLYANILIN VÀ POLYPYRROL

5.1 V t li u nano GPCS và Fe 3 O 4 /CS trong d n truy n curcumin

5.1.1 V t li u nano GPCS trong d n truy n curcumin

Ph IR c a chitosan, gossypol, curcumin, GPCS và Cur/GPCS cho th y các pic c a Cur/GPCS đ u là các pic c b n c a GPCS

và curcumin b d ch chuy n v trí ch ng t s có m t c a

curcumin trong n n GPCS Hình 5.2 là nh FE-SEM c a h t

GPCS tr c và sau khi t i curcumin Các h t tr c khi t i

curcumin có kích th c kho ng t 20 ậ 35 nm, sau khi t i curcumin kích th c h t t ng lên 30 - 40 nm, đi u này có th do

curcumin đã đ c t i thành công lên h t nano GPCS Hình 5.5

là ph UV-vis và đ ng chu n c a dung d ch curcumin Tính

đ c l ng curcumin đ c t i lên GPCS là kho ng 3 mg/ml

t ng đ ng v i hi u su t 75% (l ng curcumin cho vào là 4 mg/ml.)

0.6 1.0 1.4

Hình 5.5 Ph Uv-Vis và

đ ng chu n c a curcumin

0 20 40 60 80 100

Cur/GPCS

Hình 5.6 là đ ng cong nh curcumin c a Cur/GPCS trong dung

d ch PBS 37,50C và pH =7,4 Có th th y là quá trình nh curcumin g m 2 giai đo n, giai đo n đ u nh nhanh và sau đó

ch m l i Trong kho ng 8h đ u, g n 50% l ng curcumin đ c

nh ra kh i h t nano Cur/GPCS Giai đo n th 2, curcumin đ c

gi i phóng ra ch m và đ t t i 75% sau 24 gi và 80% sau 48 gi

5.2 V t li u nano Fe 3 O 4 /CS trong h p ph kim lo i n ng 5.2.1 V t li u nano Fe 3 O 4 /CS trong h p ph Ni(II) và Pb(II) Hình 5.12 và Hình 5.13 là các đ th th hi n m i quan h gi a

Ce/qe và Ce c a thí nghi m h p ph Ni(II) và Pb(II) các pH 4,

5, 6 Có th th y trên đ th , m i quan h Ce/qe và Ce là tuy n tính, theo nh ph ng trình 5.2 đã trình bày trên thì quá trình

h p ph các ion Ni(II) và Pb(II) tuân theo quy lu t h p ph đ ng nhi t Langmuir và quá trình h p ph là đ n l p

(b)

C e /q e = 0.143

9 + 0.01579

C e /q e = 0 90021 + 0.01825 *

C e , R2=0.999

C e /q e = 1.09358+ 0.0201

* C e , R

Ce/qe

Các thông s c a quá trình h p ph tính đ c trình bày

5.2.2 V t li u nano Fe 3 O 4 /CS trong h p ph Cr(VI)

Hình 5.17 nh h ng c a

n ng đ Cr(VI) ban đ u đ n

kh n ng h p ph c a v t li u

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

C e /q e

Cr(VI)

D a vào ph ng trình Langmuir tính đ c dung l ng h p

ph t i đa (qm) c a v t li u D a vào đ th ta xác đ nh đ c các thông s nh trình bày trong B ng 5.2

B ng 5.2.Các thông s c a ph ng trình đ ng nhi t Langmuir

n m Trong đó ho t tính kháng khu n c a v t li u nano Ag/CS

đ i v i vi khu n gram âm t t h n so v i vi khu n gram d ng

i u này có th do l p màng bên ngoài c a vi khu n gram âm

ch a các nhóm phosphat và pyrophosphat mang đi n tích âm nên

t o thành liên k t t nh đi n v i b m t mang đi n tích d ng c a

Baciilus subtilis 10 5,41 10

N m Candida albicans 10 5,67 10

So sánh v i 1 s ch t kháng sinh cho th y kh n ng kháng khu n c a nano Ag/CS t t h n Penicillin-Streptomycin, r t t t cho ch ng P.aeruginosa (IC50 c a nano Ag/CS là 1,42 g/ml so

v i 4,5 g/ml c a Penicillin-Streptomycin [94]) So sánh tác

d ng c a nano Ag/CS v i Ampicillin cho các ch ng L fermentum, B.subtilis, chúng tôi nh n th y ho t l c là ngang b ng (IC50 cùng trong kho ng 3,9 g/ml)ν v i ch ng S.aureus và E.coli tác d ng c a nano Ag/CS kém h n kho ng 2-10 l n (IC50 c a nano Ag/CS kho ng 6,08 g/l so v i 0,05÷2 g/ml c a Ampicillin); v i C.albicans thì tác d ng c a nano Ag/CS kém

h n Amphotericin B kho ng 4÷9 l n [76]

5.4 V t li u t h p c u trúc nano trên n n polyme d n trong

ch t o c m bi n sinh h c đi n hóa

5.4.1 V t li u Fe 3 O 4 /PPy ng d ng ch t o c m bi n sinh h c

đi n hóa xác đ nh glucose

Ch t o c m bi n sinh h c Pt/Fe3O4/PPy-GOx b ng cách g n enzym glucose oxidase vào v t li u Fe3O4/PPy ng đ c tuy n đáp ng dòng c a c m bi n Pt/Fe3O4/PPy-GOx đ c đ a

ra t i Hình 5.24 Có th th y r ng c ng đ dòng khi đo trong dung dch PBS (50mM, pH=7) đ t n đ nh sau kho ng 500 giây Khi thêm dung dch glucose vào thì c ng đ dòng t ng nhanh

và đ t n đ nh sau kho ng 30-40 giây Tuy nhiên khi n ng đ glucose v t giá tr 9,02mM thì s t ng c ng đ dòng là r t y u,

th m chí b gi mν đi u này có th do l ng enzym glucose c

đ nh trên đi n c c ch a nhi u và ho t l c c a enzyme ch a cao

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6  I (  A ) =0,163*Cglucose+0,0198