Đánh giá ổn định của vắc xin sởi sản xuất tại việt nam từ năm 2009 đến năm 2013 (full)

Kết hợp chitosan với hạt sắt từ là một giải pháp tốt trong dẫn truyền thuốc ung thư hướng đích khi kết hợp được hiệu ứng nhiệt trị chữa ung thư của các hạt nano oxit sắt siêu thuận từ và

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS TRẦN ĐẠI LÂM

2 PGS TS VŨ ĐÌNH HOÀNG

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trần Đại Lâm và PGS TS Vũ Đình Hoàng Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

PGS.TS Trần Đại Lâm PGS TS Vũ Đình Hoàng Nguyễn Ngọc Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới

PGS.TS Trần Đại Lâm và PGS.TS Vũ Đình Hoàng, những người thầy đã nhiệt

tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu khoa học, hết lòng giúp

đỡ tôi về vật chất và tinh thần trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh để tôi hoàn thành luận án này

Xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo sau Đại học, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã đào tạo và tạo điều kiện về thời gian công việc trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án này

Xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại Bộ môn Hóa Vô cơ – Đại cương,

Bộ môn Hóa lý, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã đào tạo và tạo điều kiện về thời gian công việc trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án này

Xin chân thành cám ơn PGS.TS Trần Thị Như Mai, Trường Đại học Quốc gia

Hà Nội; TS Vũ Thị Thu, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội; TS Trần Vĩnh Hoàng, NCS Bùi Đình Long,ThS Nguyễn Lê Huy, Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội; ThS Nguyễn Hải Bình, Viện Khoa học Vật liệu; PGS Phạm Gia Điền, NCS Nguyễn Thị Ngoan, ThS Bá Thị Châm, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam; GS G Martra, M.G Faga, Trường Đại học Tổng hợp Turin (Italia) vì sự hỗ trợ nhiệt tình và những đóng góp chuyên môn quý báu

Xin chân thành cám ơn người thân và bạn bè đã luôn ở bên, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian làm luận án

Cuối cùng xin dành những lời cảm ơn sâu nặng nhất đến những người thân thương trong gia đình tôi: Bố, mẹ, vợ, con đã giành cho tôi những tình cảm, động viên, chia sẻ cho tôi rất nhiều trong những năm tháng làm việc vất vả này

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Ngọc Thịnh

Mục lục

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

MỞ ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN 6

1.1 Vật liệu nano 6

1.1.1 Giới thiệu 6

1.1.2 Phân loại vật liệu nano 6

1.1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 7

1.2 Chitosan 8

1.2.1 Giới thiệu 8

1.2.2 Một số tính chất của chitosan 8

1.2.3 Chế tạo vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan 11

1.2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan 15

1.3 Hạt nano sắt từ (Fe3O4) 17

1.3.1 Một số tính chất của hạt sắt từ 17

1.3.2 Chế tạo vật liệu nano sắt từ và vật liệu tổ hợp cấu trúc nano có chứa hạt nano sắt từ 20

1.4 Hệ dẫn truyền thuốc 23

1.4.1 Các hệ dẫn thuốc trên cơ sở vật liệu nano 23

1.4.2 Curcumin 25

1.5 Cảm biến sinh học 27

1.5.1 Giới thiệu 27

1.5.2 Ứng dụng polyme dẫn làm vật liệu điện cực 29

1.5.3 Ứng dụng vật liệu tổ hợp hữu cơ – vô cơ cấu trúc nano trong chế tạo cảm biến sinh học 34

1.5.4 Cảm biến glucose (GOx sensors) 35

1.5.5 Cảm biến cholesterol (ChOx sensors) 36

1.6 Vật liệu nano ứng dụng trong hấp phụ kim loại nặng 37

1.6.1 Giới thiệu 37

1.6.2 Ứng dụng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano nền chitosan trong hấp phụ kim

loại nặng 38

2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.1 Nguyên liệu và hóa chất 40

2.2 Kĩ thuật thực nghiệm 40

2.2.1 Tổng hợp vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan 40

2.2.2 Tổng hợp vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme dẫn ứng dụng làm vật liệu cảm biến sinh học 41

2.3 Phương pháp khảo sát tính chất vật liệu 44

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 44

2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 44

2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 45

2.3.4 Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 45

2.3.5 Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 45

2.3.6 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 45

2.3.7 Các phương pháp nghiên cứu điện hóa 46

3 TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO TRÊN NỀN CHITOSAN 48

3.1 Vật liệu nano gossypol chitosan (GPCS) 48

3.1.1 Cấu trúc của vật liệu nano GPCS 48

3.1.2 Hình thái của vật liệu GPCS 50

3.2 Vật liệu nano bạc/chitosan (Ag/CS) 51

3.2.1 Cấu trúc của vật liệu nano Ag/CS 51

3.2.2 Hình thái của nano Ag/CS 53

3.2.3 Khảo sát động học của phản ứng tổng hợp nano Ag/CS 55

3.3 Vật liệu nano oxit sắt từ/chitosan (Fe3O4/CS) 61

3.3.1 Cấu trúc của vật liệu nano Fe3O4/CS 61

3.3.2 Hình thái của vật liệu nano Fe3O4/CS 64

3.3.3 Tính chất từ của vật liệu nano Fe3O4/CS 65

4 TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO TRÊN NỀN POLYME DẪN 67

4.1 Vật liệu Fe3O4/polypyrrol (Fe3O4/PPy) 67

4.2 Vật liệu nano Fe3O4/polyanilin/poly(styrene-co-acrylic acid) (Fe3O4/ PANi/PSA) 69

5 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO TRÊN NỀN CHITOSAN, POLYANILIN VÀ

POLYPYRROL 72

5.1 Vật liệu nano GPCS và Fe3O4/CS trong dẫn truyền curcumin 72

5.1.1 Vật liệu nano GPCS trong dẫn truyền curcumin 72

5.1.2 Vật liệu nano Fe3O4/CS trong dẫn truyền curcumin 76

5.2 Vật liệu nano Fe3O4/CS trong hấp phụ kim loại nặng 79

5.2.1 Vật liệu nano Fe3O4/CS trong hấp phụ Ni(II) và Pb(II) 81

5.2.2 Vật liệu nano Fe3O4/CS trong hấp phụ Cr(VI) 83

5.3 Vật liệu nano Ag/CS trong kháng khuẩn và ức chế tế bào ung thư 90

5.4 Vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme dẫn trong chế tạo cảm biến sinh học điện hóa 94

5.4.1 Vật liệu Fe3O4/PPy ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa xác định glucose 96

5.4.2 Vật liệu Fe3O4/PANi/PSA ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa xác định cholesterol 99

KẾT LUẬN 109

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 111

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

FDA Cục dược phẩm Hoa kỳ

FESEM Hiển vi điện tử phát xạ trường

MIC Nồng độ ức chế tối thiểu

MBC Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu

NCMCS N-cacboxymetyl chitosan

NHS N-hydroxysuccinimide

OCMCS O-cacboxymetyl chitosan

SEM Kính hiển vi điện tử quét

SWV Phương pháp Vôn-Ampe sóng vuông TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua

UV vis Phổ hấp thụ electron

XRD Giản đồ nhiễu xạ tia X

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Một số phương pháp điều chế hạt nano chitosan làm chất dẫn các loại

thuốc, protein khác nhau [47, 50, 56, 63, 93] 12

Bảng 3-1 Các vị trí hấp thụ chính của các chất trong phản ứng 49

Bảng 3-2 Kích thước của hạt nano Ag ở các điều kiện phản ứng khác nhau 55

Bảng 3-3 Thời gian và độ hấp phụ của phản ứng ở điều kiện nhiệt độ 80 o C, [Ag + ] = 3,33.10 -3 mmol/l, [CS] = 0,33 mg/l 57

Bảng 3-4 Giá trị tốc độ phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau 60

Bảng 3-5 Các vị trí hấp thụ chính của mẫu chitosan, Fe 3 O 4 , Fe 3 O 4 /CS 62

Bảng 5-1 Các thông số của quá trình hấp phụ Ni(II) và Pb(II) bằng Fe 3 O 4 /CS 83

Bảng 5-2.Các thông số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir 87

Bảng 5-3 Thông số phương trình động học bậc một 88

Bảng 5-4 Thông số phương trình động học bậc hai 89

Bảng 5-5 So sánh khả năng hấp phụ Cr(VI) với một số vật liệu hấp phụ [26, 42] 90 Bảng 5-6 Hoạt tính kháng khuẩn của nano Ag/CS 92

Bảng 5-7 Giá trị IC 50 xác định đối với các dòng tế bào HepG2, Lu, MCF-7 và KB 93

Bảng 5-8 Quan hệ giữa tốc độ quét và cường độ dòng khử, oxy hóa 101

Bảng 5-9 Cường độ dòng khi thêm cholesterol vào hệ điện hóa 104

Bảng 5-10 Độ nhạy của cảm biến 106

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc chitin – chitosan 9

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể Fe 3 O 4 17

Hình 1.3 Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [11] 19

Hình 1.4 Sơ đồ biến tính chitosan để có các dẫn xuất khác nhau [56] 25

Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp NOCMCS [59] 25

Hình 1.6 Cấu trúc của curcumin 26

Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học 28

Hình 1.8 Một số phần tử được sử dụng làm đầu thu sinh học [24] 29

Hình 1.9 Cơ chế hình thành PPy [52] 31

Hình 1.10 Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái oxy hóa [52] 32

Hình 1.11 Au NPs và Fe 3 O 4 NPs được chức năng hóa bề mặt [52, 57] 35

Hình 1.12 Cấu trúc vật liệu tổ hợp CS/clay (a) và sự tạo phức giữa Cr(VI) với CS 39 Hình 2.1 Cấu tạo của điện cực (a) và hình ảnh thực tế của điện cực (b) [70] 42

Hình 2.2 Sơ đồ quá trình cố định enzym theo phương pháp liên kết chéo sử dụng tác nhân glutaraldehyde 44

Hình 2.3 Phương pháp quét thế tuyến tính đa chu kỳ 46

Hình 2.4 Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong phương pháp CV 46

Hình 3.1 Phản ứng giữa chitosan và gossypol tạo thành GPCS 48

Hình 3.2 Phổ IR của chitosan (a), gossypol(b) và GPCS(c) 49

Hình 3.3 Các dạng đồng phân tautome của gossypol 50

Hình 3.4 Ảnh FE-SEM của vật liệu GPCS 51

Hình 3.5 Phổ UV–vis của hạt nano ở các điều kiện phản ứng khác nhau: 52

Hình 3.6 Phổ UV-vis của phản ứng theo thời gian ( nhiệt độ 80 o C, [Ag + ] = 3,33.10 3 mmol/l, [CS] = 0,33 mg/l) 53

Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano Ag/CS 53

Hình 3.8 Ảnh TEM của các mẫu 54

Hình 3.9 Cấu trúc lõi – vỏ của vật liệu nano Ag/CS 55

Hình 3.10 Quan hệ giữa ln A A t A          và thời gian t của phản ứng 58

Hình 3.11 Phổ UV-vis của phản ứng khi thay đổi nhiệt độ phản ứng (t= 6 h, [Ag + ]= 3,33.10 -3 mmol/l, [CS]= 0,33 mg/l) 59

Hình 3.12 Đồ thị tương quan giữa ln A và 1/T 59

Hình 3.13 Cơ chế tạo thành vật liệu Ag/CS 61

Hình 3.14 Ảnh nhiễu xạ tia X của vật liệu nano Fe 3 O 4 tinh khiết và vật liệu nano Fe 3 O 4 /CS 62

Hình 3.15 Phổ IR của chitosan, Fe 3 O 4 và Fe 3 O 4 /CS 63

Hình 3.16 Cơ chế hình thành Fe 3 O 4 /CS [35] 64

Hình 3.17 Ảnh TEM của Fe 3 O 4 (a) và Fe 3 O 4 /CS (b,c) 65

Hình 3.18 Đường cong từ hóa của Fe 3 O 4 và Fe 3 O 4 /CS 65

Hình 4.1 Trùng hợp điện hóa màng Fe 3 O 4 /PPy theo phương pháp CV tại thế từ -0,2V tới +0,9V, tốc độ 50mV/s, trong 20 vòng Hình chèn bên trong là so sánh phổ trùng hợp điện hóa màng PPy và Fe 3 O 4 /PPy tại vòng thứ 20 67

Hình 4.2 Phổ FT-IR của màng PPy và Fe 3 O 4 /PPy 68

Hình 4.3 Ảnh SEM (a) hạt nano Fe 3 O 4 ; (b) màng PPy và (c) màng Fe 3 O 4 /PPy trùng hợp bằng phương pháp điện hóa 69

Hình 4.4 Ảnh SEM và TEM của các hạt nano Fe 3 O 4 /PSA (a,b) và màng Pt/PANi (c) 70

Hình 4.5 Phổ IR của màng PANi(a) và màng PANi/Fe 3 O 4 /PSA-ChOx (b) 70

Hình 5.1 Phổ IR của, curcumin, GPCS và Cur/GPCS 73

Hình 5.2 Ảnh SEM của hạt GPCS trước (a) và sau khi tải curcumin (b) 74

Hình 5.3 Phổ huỳnh quang của curcumin và Cur/GPCS 74

Hình 5.4 Các dạng tautome của curcumin 75

Hình 5.5 Phổ Uv-Vis và đường chuẩn của curcumin 75

Hình 5.6 Quá trình nhả curcumin từ hạt nano Cur/GPCS 76

Hình 5.7 Quy trình chế tạo phức hệ Cur/Fe 3 O 4 /CS 77

Hình 5.8 Huyền phù sắt từ (a), Fe 3 O 4 /CS (b) và cur/Fe 3 O 4 /CS (c) 77

Hình 5.9 Phổ DSL của Fe 3 O 4 /CS (a) và Cur/ Fe 3 O 4 /CS (b) 78

Hình 5.10 Ảnh FE-SEM của vật liệu Fe 3 O 4 /CS (a) và Cur/ Fe 3 O 4 /CS (b) 78

Hình 5.11 Curcumin phát quang dưới ánh sáng kích thích (a) và sự phát quang của Cur/Fe 3 O 4 /CS (b) 79

Hình 5.12 Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Ni(II) 82

Hình 5.13 Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Pb(II) 83

Hình 5.14 Ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu nano Fe 3 O 4 /CS 84

Hình 5.15 Tỉ lệ các dạng tồn tại của Cr(VI) trong dung dịch [26] 85

Hình 5.16 Mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ và thời gian 86

Hình 5.17 Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu 86

Hình 5.18 Đồ thị đẳng nhiệt Langmuir đối với sự hấp phụ Cr(VI) 87

Hình 5.19 Đồ thị động học hấp phụ bậc một 88

Hình 5.20 Đồ thị động học hấp phụ bậc hai 89

Hình 5.21 Ảnh hiển vi thể hiện biến đổi hình thái tế bào của các dòng tế bào HepG2, Lu, MCF-7 và KB sau 72 giờ xử lý có nano Ag/CS tại các nồng độ khác nhau: 100 g/ml (a), 25 g/ml (b) và 6.25 g/ml (c) và không có nano Ag/CS (d) 94

Hình 5.22 Phổ CV của điện cực Pt/Fe 3 O 4 /PPy-GOx trong dung dịch PBS khi không

có glucose (a) và khi có 10mM glucose (b); 15mM glucose (c) 96

Hình 5.23 Đường đặc tuyến đáp ứng dòng của cảm biến Pt/Fe 3 O 4 /PPy-GOx và Pt/PPy/GOx tại E=+0,7V (vs Ag/AgCl) khi những lượng glucose được thêm vào hệ điện hóa 97

Hình 5.24 Đường đặc tuyến đáp ứng dòng của cảm biến Pt/Fe 3 O 4 /PPy-GOx tại E=+0,7V (vs Ag/AgCl) khi những lượng glucose được thêm vào hệ điện hóa 98

Hình 5.25 Đường chuẩn của cảm biến Pt/Fe 3 O 4 /Ppy-GOx 99

Hình 5.26 Ảnh SEM của màng PANi/Fe 3 O 4 /PSA–ChOx 100

Hình 5.27 Mô hình gắn Fe 3 O 4 /PSA-ChOx vào điện cực Pt/PANi [70] 100

Hình 5.28 Phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe 3 O 4 /PSA-ChOx ở các tốc độ quét khác nhau (từ a tới j tương ứng với 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, và 100 mV/s) trong dung dịch PBS 101

Hình 5.29 Quan hệ giữa tốc độ quét và cường độ dòng khử, oxy hóa 102

Hình 5.30 Phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe 3 O 4 /PSA-ChOx trong dung dịch PBS khi không có cholesterol (a) và khi có 0.5 mM cholesterol trong khoảng điện thế từ –0.6 đến +0.6 V tốc độ quyét 50 mV/s 103

Hình 5.31 Đáp ứng dòng của cảm biến Pt/PANi/Fe 3 O 4 /PSA-ChOx khi thêm 0,2mM cholesterol trong dung dịch PBS (pH=7) dưới thế +0,18v 104

Hình 5.32 Đường chuẩn của cảm biến Pt/PANi/Fe 3 O 4 /PSA-ChOx là hàm của nồng độ cholesterol 105

Hình 5.33 Đáp ứng dòng của cảm biến Pt/PANi/Fe 3 O 4 /PSA-ChOx khi thêm 0,5mM cholesterol, 5 mM glucose, 0.5 mM AA, 0.5 mM UA, and 0.5 mM AC trong dung dịch PBS (pH=7) dưới thế +0,18v 106

MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài

Trên thế giới, công nghệ nano là một lĩnh vực còn khá mới mẻ nhưng đã thu hút được sự quan tâm rất lớn của cộng đồng khoa học và các hãng sản xuất Nhiều thành tựu ứng dụng công nghệ và vật liệu nano trong các ngành vật liệu điện tử, quang điện

tử, vật liệu từ, y sinh học đã được ghi nhận

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về chế tạo và ứng dụng công nghệ nano đã được phát động từ năm 1997 Từ đó đến nay, nhiều nghiên cứu theo hướng khoa học cơ bản về công nghệ và vật liệu nano và sau đó là hướng nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng trong vật lý-điện tử, hoá học, môi trường, sinh học-nông nghiệp, chăm sóc sức khoẻ đã được tiến hành và thu được nhiều kết quả khả quan

Trong số các vật liệu nano sinh học, nano chitosan (CS) và các vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan đã và đang thu hút sự quan tâm của đông đảo các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây Những vật liệu này được điều chế từ chitosan, một polysaccharit dồi dào trong tự nhiên, chủ yếu tìm thấy ở động vật giáp xác, côn trùng, nấm Nano chitosan

và các dẫn xuất mang đầy đủ những đặc trưng ưu việt của chitosan như: (i) có tính tương thích sinh học và không độc hại (đã được Cục dược phẩm và thực phẩm Hoa kỳ công nhận), (ii) có khả năng phân hủy sinh học, (iii) có tính hấp phụ cao Do đó, những vật liệu này có tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh học và môi

trường Trong y sinh học, hạt nano chitosan là một hệ vận tải quan trọng dùng để dẫn

truyền thuốc, gen và protein Với kích thước nanomet, hạt nano chitosan dễ dàng đi qua màng tế bào, có thể đưa vào cơ thể qua nhiều đường khác nhau như dùng ngoài da, dùng qua đường miệng, qua mũi… Hơn nữa, khi sử dụng nano chitosan làm hệ dẫn thuốc, hoạt chất (thuốc) được bảo vệ bởi những hạt nano chitosan, giúp đưa thuốc đến đúng mục tiêu, phân giải có kiểm soát, từ đó nâng cao rõ rệt hiệu quả điều trị Trong lĩnh vực môi trường, nano chitosan được sử dụng như một chất hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng Các vật liệu tổ hợp hữu cơ – vô cơ cấu trúc nano trên nền chitosan như Ag/CS, Fe3O4/CS đã thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới Phân tán các hạt nano bạc vốn có khả năng kháng khuẩn trên nền chitosan cho phép tăng cường

hiệu năng kháng khuẩn của hệ vật liệu này (bản thân chitosan cũng có tính kháng khuẩn), đồng thời chitosan đóng vai trò là mạng nền, giúp tránh quá trình kết khối và tăng tính đồng nhất của các hạt nano bạc Kết hợp chitosan với hạt sắt từ là một giải pháp tốt trong dẫn truyền thuốc ung thư hướng đích khi kết hợp được hiệu ứng nhiệt trị chữa ung thư của các hạt nano oxit sắt siêu thuận từ và khả năng dẫn thuốc của hệ bằng từ trường ngoài… Những năm gần đây, các nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học (biosensors) ứng dụng trong hóa học phân tích đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước Cảm biến sinh học đo tín hiệu điện hóa (electrochemical biosensor) đáp ứng được các yêu cầu của hóa học phân tích hiện đại đó là có khả năng phân tích nhanh theo thời gian thực (real-time), có độ nhạy, độ chọn lọc và chính xác cao; thiết bị phân tích nhỏ gọn, sử dụng đơn giản, có giá thành phù hợp Trong cảm biến sinh học, các polyme dẫn điện như polypyrrol, polyanilin ngày càng được ứng dụng nhiều, tuy nhiên để cho cảm biến có độ nhạy cao thì vật liệu điện cực phải có độ dẫn cao,

sự trao đổi điện tử dễ dàng Do đó, việc pha tạp các hạt nano kim loại hoặc oxit kim loại vào polypyrrol và polyanilin là một giải pháp thường được áp dụng

Trên thế giới, vật liệu tổ hợp hữu cơ – vô cơ có chứa chitosan, polypyrrol, polyanilin với các hạt nano (Ag, Fe3O4) đã được nghiên cứu khá nhiều và được đánh giá là một trong những hệ vật liệu có tiềm năng ứng dụng rất lớn Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu hầu như mới chỉ dừng ở nghiên cứu phương pháp chế tạo (qui mô phòng thí nghiệm) và đặc trưng hệ vật liệu, chưa đưa ra được cơ sở lý thuyết lý do phải kết hợp vật liệu hữu cơ với vô cơ cũng như thử nghiệm các ứng dụng của chúng một cách có hệ thống

Vì những lí do đã đề cập đến ở trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu của

luận án là “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano từ polyme với

Ag, Fe 3 O 4 và đánh giá khả năng ứng dụng”

Mục tiêu của luận án

- Mục tiêu của luận án là nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng hóa lý các vật liệu tổ hợp cấu trúc nano dựa trên nền polyme thiên nhiên chitosan (CS) và polyme dẫn polyanilin (PANi), polypyrrol (PPy) với oxit sắt từ (Fe3O4) và bạc (Ag): nano CS, Ag/CS, Fe3O4/CS, Fe3O4/PPy, Fe3O4/ PANi/PSA

- Từ đó, nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của các loại vật liệu trên trong

y sinh học (nghiên cứu khả năng gắn và nhả curcumin là chất có hoạt tính trị liệu cao vào nano CS và nano Fe3O4/CS, nghiên cứu khả năng kháng khuẩn và ức chế tế bào ung thư của nano Ag/CS, nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học xác định hàm lượng glucose và cholesterol của Fe3O4/ PPy, Fe3O4/ PANi/PSA) và môi trường (nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng Pb(II), Ni(II), Cr(VI) của nano Fe3O4/CS)

Nội dung của luận án

1 Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật lý và hóa học một số vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme thiên nhiên chitosan và polyme dẫn polyanilin (PANi), polypyrrol (PPy) với ôxit sắt từ (Fe3O4) và bạc (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 cụ thể như sau:

- Nghiên cứu tổng hợp nano CS bằng phương pháp khâu mạch sử dụng gossypol, đặc trưng hóa lý bằng phương pháp: phổ hồng ngoại (IR), hiển vi điện từ quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Ag/CS sử dụng CS vừa là tác nhân khử vừa là tác nhân ổn định Xác định các thông số hóa lý của vật liệu bằng phổ hấp thụ

tử ngoại khả kiến (UV-Vis), TEM Theo dõi tiến trình phản ứng tạo nano Ag/CS bằng UV-Vis Nghiên cứu chi tiết động học của phản ứng tổng hợp vật liệu nano Ag/CS (xác định bậc phản ứng, năng lượng hoạt hóa )

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Fe3O4/CS bằng phương pháp đồng kết tủa Xác định các thông số đặc trưng hóa lý của vật liệu bằng các phương pháp IR, TEM, SEM, từ kế mẫu rung (VSM)

- Nghiên cứu tổng hợp điện hóa vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme dẫn polyanilin, polypyrrol: Fe3O4/PPy, Fe3O4/ PANi/PSA Xác định các đặc trưng hóa lý của vật liệu bằng phương pháp SEM, IR, phương pháp điện hóa: quét thế vòng (CV), đo dòng

2 Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của các loại vật liệu tổ hợp cấu trúc nano tổng hợp được trong y sinh học và môi trường

- Nghiên cứu gắn curcumin (Cur) là chất có hoạt tính trị liệu quý vào nano CS

và Fe3O4/CS Nghiên cứu khả năng nhả curcumin của vật liệu, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng nano Fe3O4/CS trong dẫn thuốc hướng đích

- Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano Ag/CS trong diệt một số loại vi khuẩn gram âm, gram dương, nấm và ức chế 4 dòng tế bào ung thư

- Nghiên cứu ứng dụng Fe3O4/PPy, Fe3O4/ PANi/PSA làm vật liệu chế tạo cảm biến sinh học để xác định nồng độ glucose và cholesterol

- Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ các kim loại nặng Pb(II), Ni(II), Cr(VI) của vật liệu nano Fe3O4/CS Nghiên cứu chi tiết động học của quá trình hấp phụ Cr(VI), ion khó xử lý và có độc tính cao nhất trong số những ion trên

Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu của luận án

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và định hướng ứng dụng

của vật liệu tổ hợp cấu trúc nano

Đối tượng nghiên cứu:

- Một số phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu tổ hợp cấu trúc nano

- Một số phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại xác định các tính chất đặc trưng cơ bản của vật liệu tổng hợp

- Một số định hướng ứng dụng trong y sinh học và môi trường của các vật tổ hợp cấu trúc nano đã tổng hợp được

Tính mới và sáng tạo của luận án

- Luận án đã nghiên cứu chi tiết động học của phản ứng tổng hợp vật liệu nano Ag/CS Từ đó, tìm ra được yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu nano Ag/CS Sử dụng vật liệu Ag/CS để kháng một số loại vi khuẩn gram dương, gram

âm, nấm và ức chế 4 dòng tế bào ung thư

- Luận án đã nghiên cứu khả năng gắn và nhả curcumin của vật liệu nano CS,

Fe3O4/CS đây là cơ sở để có thể kết hợp curcumin (một loại dược liệu quý có khả năng hỗ trợ điều trị ung thư) và nghiên cứu sự dẫn truyền thuốc hướng đích đến tế bào ung thư dựa trên tính chất quang của curcumin

- Luận án đã nghiên cứu tổng hợp được các loại vật liệu có khả năng sử dụng làm cảm biến sinh học để xác định glucose và cholesterol Đây là cơ sở để có thể chế tạo cảm biến sinh học phát hiện các bệnh liên quan tới hàm lượng glucose và cholesterol trong máu

1 TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu nano

1.1.1 Giới thiệu

Vật liệu nano là vật liệu mà cấu trúc cơ bản cấu thành nên nó có kích thước nằm

ở thang nano Các tính chất mới của vật chất được phát hiện ở thang nano có các hiệu ứng đặc biệt liên quan đến kích thước Vì vậy, hầu hết các tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào tính chất và kích thước của các “viên gạch cơ bản” tạo nên chúng, tức

là phụ thuộc vào tính chất của các quá trình vật lý xảy ra ở thang kích thước điển hình của nguyên tử và phân tử, hay nói đúng hơn là ở trung gian giữa các kích thước vĩ

mô và các kích thước phân tử hoặc nguyên tử [2, 18] Khi giảm kích thước xuống thang nano, vật liệu có những tính chất khác biệt so với các vật liệu có kích thước ở thang micro cùng loại Ngay cả các tính chất đặc trưng cho bản chất của vật liệu như hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi Ngoài ra còn

có nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính bề mặt, diện tích bề mặt; các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… của vật liệu cũng bị thay đổi khi giảm kích thước [18] Trong các quá trình và các hiệu ứng xảy ra ở thang nano, cơ học lượng tử đóng vai trò quan trọng chủ đạo Các tính chất như áp suất chuyển pha, điểm nóng chảy, tính chất quang học, quang điện tử, xúc tác, tính chất từ hay điện cũng khác so với vật liệu cùng thành phần thông thường

có kích thước cỡ micromét trở lên và chỉ có thể giải thích được khi áp dụng các quan điểm của vật lý lượng tử [23]

Một đặc điểm quan trọng của công nghệ nano là khả năng bắc cầu nối giữa thang kích thước nguyên tử và phân tử đến thang vĩ mô của kỹ thuật và công nghệ Đặc điểm này dẫn đến các hiểu biết mới cũng như mở ra khả năng chế tạo các thiết

bị công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực ứng dụng từ điện tử đến y học [18], [23] Các vật liệu/linh kiện chức năng; các lớp phủ; các mảng hai và ba chiều dùng trong các kinh kiện nano trong tương lai đã làm nên một cuộc cách mạng trong khoa học kỹ thuật, mở ra khả năng liên kết giữa thế giới nano với thế giới micro [5, 6] Vì vậy khoa học công nghệ có những bước tiến nhảy vọt và công nghệ nano sẽ trở nên hết sức quan trọng, là mối quan tâm lớn có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển kinh tế tại nhiều nước trên thế giới [23]

1.1.2 Phân loại vật liệu nano

Dựa vào hình dáng của vật liệu, người ta có một số loại vật liệu nano sau:

- Vật liệu nano không chiều: là vật liệu mà ở đó cả ba chiều đều có kích thước

nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo cả

ba chiều không gian) Các vật liệu nano cấu trúc không chiều điển hình là các đám nano, hạt nano, chấm lượng tử nano [23]

- Vật liệu nano một chiều: là vật liệu có tỷ lệ kích thước chiều dài trên chiều rộng (Aspect Ratio) lớn, ví dụ, thanh nano, ống nano và dây nano Hiện nay, từ thực nghiệm người ta cho rằng tỷ lệ aspect ratio (AR) cho hai loại (thanh và ống nano dao động từ 5/1 đến 10/1, còn với dây nano tỷ lệ này thường lớn hơn 20/1 [23]

- Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, điện

tử được tự do trên hai chiều (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo một chiều trong không gian) Các vật liệu cấu trúc hai chiều điển hình là các loại màng mỏng, giếng lượng tử… [23]

1.1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu nano

Để tạo ra các vật liệu nano, hiện nay có hai cách tiếp cận chủ yếu Cách tiếp cận thứ nhất là tiếp cận từ trên xuống (top-down), tức là xuất phát từ các kích cỡ lớn, nhỏ nhất là micromét, sau đó làm giảm kích thước đặc trưng của vật liệu xuống kích thước nanomét Các sản phẩm chế tạo theo cách này có thể điều chỉnh kích thước khá tốt,

có đặc trưng vật lý rất rõ Các phương pháp thường sử dụng là các phương pháp vật

lý kiểu quang khắc, đi kèm với các chùm ion, các chùm hạt, chùm điện tử Những phương pháp này có thể chế tạo các vật liệu có kích thước cỡ 50 nm, tuy nhiên, chất lượng hình thái học không cao, khá tốn kém và đòi hỏi phải có hệ thống máy móc thiết bị hiện đại [23]

Cách tiếp cận thứ hai là tiếp cận từ dưới lên (bottom-up), tức là chủ yếu sử dụng các phương pháp hóa học để lắp ghép các đơn vị nguyên tử hoặc phân tử lại với nhau nhằm thu được các cấu trúc nano Cách tiếp cận này vẫn còn tương đối mới, đang ngày càng thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới và không đòi hỏi các thiết bị hiện đại [2, 18, 23]

So với các phương pháp vật lý (top-down) đã được thương mại hóa trong các ứng dụng công nghiệp để chế tạo ra các cấu trúc nano, các phương pháp hóa học đang chiếm ưu thế về khả năng thu được các dạng cấu trúc nano có hình thái học tốt và tính đồng nhất cao Một số phương pháp như sol-gel, thủy nhiệt, khuôn mềm hiện đang trở thành những phương pháp chủ yếu được sử dụng để tổng hợp các dạng cấu trúc nano khác nhau [2, 18] Ưu điểm chính của các phương pháp này là khả năng điều khiển quá trình kết tủa, vì vậy mà các sản phẩm thu được có độ đồng đều cao,

có thể điều khiển được kích thước dễ dàng [2] Đặc biệt là phương pháp thủy nhiệt kết hợp với sử dụng các loại khuôn mềm đáp ứng tốt các yêu cầu về chế tạo có điều

khiển các loại cấu trúc nano thấp chiều như các hạt, lá thanh, ống, dây… nano khác nhau với phân bố kích thước hẹp, đồng đều và hiệu suất hình thành cao [2,23]

1.2 Chitosan

1.2.1 Giới thiệu

Chitin là một polysacharit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng thứ hai sau cellulose), được tìm thấy cả trong động vật và thực vật Trong động vật, chitosan là một thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ một số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn Trong thực vật, chitin có ở thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo [1, 58] Chitin là polysaccarit có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc của chitin là tập hợp các monosacharit (N-acetyl-β-D-glucosamine) liên kết với nhau bởi các cầu nối glucozit và hình thành một mạng các sợi có tổ chức Trong các loài thủy sản, đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm khá cao, dao động từ 14 - 35% so với trọng lượng khô [34, 58] Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin

Trong số các dẫn xuất của chitin thì chitosan là một trong những dẫn xuất quan trọng nhất vì nó có hoạt tính sinh học cao và có nhiều ứng dụng trong thực tế Chitosan thu được bằng phản ứng deacetyl hóa chitin, biến đổi nhóm N-acetyl thành nhóm amin ở vị trí C2 bằng kiềm hoặc bằng enzym

Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn toàn nên người ta qui ước nếu độ deacetyl hóa (degree of deacetylation) DD > 50% thì gọi là chitosan, nếu DD < 50% gọi là chitin [20,34]

1.2.2 Một số tính chất của chitosan

Công thức cấu tạo:

Tên gọi khoa học: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose; amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose

poly(1-4)-2-Công thức phân tử: [C6H11O4N]n

Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n

Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4) glucozit Công thức cấu tạo của chitosan được trình bày trong Hình 1.1

2-amino-2-deoxy-β-D-Hình 1.1 Cấu trúc chitin – chitosan

Qua cấu trúc của chitin – chitosan (Hình 1.1) ta thấy chitin chỉ có một nhóm

chức hoạt động là -OH (H ở nhóm hydroxyl bậc 1 linh động hơn H ở nhóm hydroxyl bậc 2 trong vòng 6 cạnh) còn chitosan có 2 nhóm chức hoạt động là -OH, -NH2, do

đó chitosan dễ dàng tham gia phản ứng hóa học hơn chitin Trong thực tế các mạch chitin - chitosan đan xen nhau, vì vậy tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời, việc tách và phân tích chúng rất phức tạp

Mức độ deacetyl hóa:

Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao Mức độ deacetyl hóa là một đặc tính quan trọng của quá trình sản xuất chitosan bởi vì nó ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này Mức độ deacetyl hóa của chitosan vào khoảng 56%-99% (nhìn chung là 80%) phụ thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng Có rất nhiều phương pháp để xác định mức

độ deacetyl hóa của chitosan bao gồm: chuẩn độ điện thế, quang phổ hồng ngoại, chuẩn độ bằng HI…[63]

Trọng lượng phân tử:

Chitosan là polyme sinh học có khối lượng phân tử cao Các sản phẩm chitosan thương phẩm có khối lượng khoảng 100.000-1.200.000 dalton, khối lượng chitosan phụ thuộc quá trình chế biến và loại nguyên liệu Thông thường, nhiệt độ cao, sự có

mặt của oxy và sức kéo có thể dẫn đến phân hủy chitosan Giới hạn nhiệt độ là 280°C,

sự phân hủy do nhiệt có thể xẩy ra và mạch polyme nhanh chóng bị phá vỡ, do đó khối lượng phân tử giảm Nguyên nhân quá trình phá vỡ mạch polyme là sử dụng nhiệt độ cao và axit đặc như HCl, H2SO4 dẫn đến thay đổi khối lượng phân tử Khối lượng phân tử chitosan có thể xác định bằng phương pháp sắc kí, phân tán ánh sáng hoặc đo độ nhớt [55]

Độ nhớt:

Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao Một số yếu tố trong quá trình sản xuất như mức độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ dung dịch, độ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ ảnh hưởng đến sản xuất chitosan và tính chất của nó Độ nhớt của chitosan trong dung dịch axit axetic tăng khi pH của dung dịch này giảm Tuy nhiên độ nhớt của chitosan trong dung dịch HCl lại giảm khi pH của dung dịch HCl giảm Do vậy, độ nhớt của chitosan là một hàm phụ thuộc vào mức độ ion hóa cũng như lực ion Quá trình loại protein trong dung dịch NaOH 3% và sự khử trong quá trình khử khoáng làm giảm độ nhớt của dung dịch chitosan thành phẩm Tương tự như vậy, độ nhớt của chitosan bị ảnh hưởng đáng kể bởi các biện pháp xử lý vật lý (nghiền, gia nhiệt, hấp khử trùng, siêu âm) và hóa học (xử lý bằng ozon), không tính quá trình làm lạnh thì độ nhớt của chitosan sẽ giảm khi thời gian và nhiệt độ xử lý tăng Dung dịch chitosan bảo quản ở 4°C được cho là ổn định nhất [58]

Tính tan:

Chitin tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan trong các dung dịch axit pH dưới 6,0 Các axit hữu cơ như axetic, formic và lactic thường được sử dụng để hòa tan chitosan Thường sử dụng nhất là dung dịch axit axetic 1% tại pH 4,0 Chitosan cũng tan trong dung dịch HCl 1% nhưng không tan trong H2SO4

và H3PO4 Ở pH cao, có thể xảy ra hiện tượng kết tủa hoặc đông tụ nguyên nhân là

do hình thành hỗn hợp poly ion với chất keo anion Tính tan của dung dịch còn bị ảnh hưởng của mức độ deacetyl hóa

Tỉ lệ nồng độ giữa chitosan và axit rất quan trọng Ở nồng độ dung môi hữu cơ

cao hơn 50%, chitosan vẫn hoạt động như là một chất gây nhớt giúp cho dung dịch mịn Có một vài nhân tố ảnh hưởng đến tính chất dung dịch chitosan bao gồm nhiệt

độ và thời gian quá trình deacetyl hóa, nồng độ các chất kiềm, việc xử lý sơ bộ, kích thước của các phần tử [58]

Một số tính chất lý hóa khác của chitosan:

- Không độc, tính tương ứng sinh học cao và có khả năng phân huỷ sinh học nên không gây dị ứng và không gây phản ứng phụ, không gây tác hại đến môi trường;

- Ở pH < 6,3, chitosan có điện tích dương;

- Trong phân tử chitosan có chứa nhóm –OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amin, vừa là amid Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-;

- Chitosan là những polyme mà các monomer được nối với nhau bởi các liên kết α-(1-4)-glycoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất như: axit, bazơ, tác nhân oxy hoá và các enzym thuỷ phân [63]

1.2.3 Chế tạo vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan

1.2.3.1 Chế tạo vật liệu nano chitosan

Hiện nay, có nhiều phương pháp tạo nano chitosan Các phương pháp chủ yếu thường được sử dụng là: phương pháp khâu mạch nhũ tương (emulsion cross-

linking), phương pháp giọt tụ/kết tủa (coacervation/precipitation), phương pháp hợp nhất giọt nhũ tương (emulsion-droplet coalescence), phương pháp tạo gel ion (ionic

gelation) và phương pháp mixen đảo (reverse micellar) [1, 41, 56, 58] Bảng 1-1 tóm

tắt một số phương pháp điều chế hạt nano chitosan làm chất dẫn các loại thuốc, protein khác nhau

Bảng 1-1 Một số phương pháp điều chế hạt nano chitosan làm chất dẫn các loại

thuốc, protein khác nhau [1, 47, 50, 56, 63, 93]

Phương pháp điều chế nano

chitosan

Thuốc/ protein

Gel ion Insulin, ricin, BSA, cyclosporine A Phương pháp giọt tụ/kết tủa DNA/Doxorubicin

Hợp nhất giọt nhũ tương Axit gadopentetic

Phương pháp khâu mạch nhũ tương: Hỗn hợp nhũ tương nước trong dầu

được tạo ra bằng cách phân tán dung dịch chitosan trong dầu Những giọt lỏng được làm bền bởi chất hoạt động bề mặt Dung dịch nhũ tương sau đó được khâu mạch bằng tác nhân tạo nối thích hợp như glutaraldehyde Hai nhóm –CHO của glutaraldehyde sẽ phản ứng với nhóm –NH2 của chitosan để khâu mạch tạo hạt nano chitosan [59]

Phương pháp giọt tụ/kết tủa: Phương pháp này sử dụng tính chất của chitosan

là không tan trong dung dịch kiềm Bởi vậy, chitosan sẽ bị kết tủa, tạo giọt ngay khi dung dịch chitosan tiếp xúc với dung dịch kiềm Dung dịch kiềm có thể là NaOH Dung dịch chitosan sẽ được một thiết bị nén phun vào dung dịch kiềm để tạo hạt nano

Phương pháp hợp nhất giọt nhũ tương: Phương pháp này lần đầu được sử

dụng vào năm 1999 Phương pháp này sử dụng nguyên tắc của cả hai phương pháp: tạo nối ngang nhũ tương và kết tủa Thay vì sử dụng tác nhân tạo nối ngang, kết tủa tạo ra bằng cách cho các giọt chitosan kết hợp với các giọt NaOH Một hệ nhũ tương bền chứa dung dịch chitosan cùng với thuốc tạo ra trong paraffin lỏng Đồng thời, một hệ nhũ tương bền khác chứa dung dịch chitosan và NaOH cũng được tạo ra theo cách như trên Khi cả hai hệ nhũ tương này được trộn lại với tốc độ khuấy cao, các giọt từ mỗi hệ sẽ va chạm một cách ngẫu nhiên, hợp lại và kết tủa thành những hạt nhỏ

Phương pháp tạo gel ion: Cơ chế của phương pháp này dựa trên tương tác tĩnh

điện giữa chitosan tích điện dương và một polyanion như tripolyphosphate Kỹ thuật này có ưu điểm là giai đoạn chuẩn bị đơn giản và thực hiện trong môi trường nước Đầu tiên, chitosan được hòa tan vào dung dịch axit axetic Sau đó, chitosan được trộn lẫn với polyanion để tạo hạt nano chitosan dưới điều kiện khuấy liên tục tại nhiệt độ phòng Kích thước và điện tích bề mặt có thể kiểm soát bằng cách sử dụng những tỷ

lệ chitosan và polyanion khác nhau [88]

Phương pháp mixen đảo: Trong phương pháp này, người ta hòa tan chất hoạt

động bề mặt vào dung môi hữu cơ để tạo ra những hạt mixen đảo Dung dịch lỏng chứa chitosan và thuốc được thêm từ từ với tốc độ khuấy không đổi để tránh làm đục dung dịch Pha lỏng được giữ sao cho hỗn hợp trở thành pha vi nhũ trong suốt Sau

đó tác nhân tạo nối ngang được thêm vào và khuấy Cô quay loại dung môi Phần còn lại phân tán lại trong nước Dung dịch muối thích hợp được thêm vào để kết tủa chất hoạt động bề mặt Hỗn hợp được ly tâm Phần dung dịch ở trên chứa hạt nano mang thuốc được chiết ra, cho qua màng thẩm tách 1 giờ Đông cô chất lỏng thu được cho

ta chitosan dạng bột [64]

Trong khuôn khổ luận án này chúng tôi sử dụng gossypol làm tác nhân khâu mạch thông qua phản ứng giữa nhóm –CHO của gossypol với nhóm –NH2 để tạo vật liệu nano chitosan Gossypol là một hợp chất polyphenol được tìm thấy trong hạt của các loài thuộc chi bông [61,71] Gossypol đã được biết đến với rất nhiều hoạt tính sinh học có giá trị như tác dụng chống ôxy hoá, tránh thai, chống ký sinh trùng, chống

suy giảm miễn dịch và chống ung thư [33, 39, 40, 54, 79] Việc sử dụng gossypol nhằm mục đích kết hợp được khả năng khâu mạch tạo hạt nano vừa có khả năng tạo thành hạt nano có hoạt tính dược dụng của gossypol

1.2.3.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp cấu trúc nano nền chitosan

Cũng giống như vật liệu nano, vật liệu tổ hợp cũng xuất hiện từ thời cổ đại ví

dụ như các loại sơn nhiều màu sắc là kết quả của việc trộn lẫn các chất màu hoặc các chất vô cơ vào thành phần hữu cơ [18, 23] Tuy nhiên cùng với sự phát triển của các

kỹ thuật phân tích hóa lý hiện đại, khoảng 1 thập kỷ trở lại đây, việc tổng hợp và sử dụng loại vật liệu này đã có những bước tiến mạnh mẽ Thuật ngữ vật liệu tổ hợp được sử dụng cho rất nhiều hệ vật liệu khác nhau như các chất sol-gel vô định hình, các vật liệu có hoặc không có tương tác giữa hai thành phần hữu cơ và vô cơ… Có nhiều định nghĩa khác nhau về vật liệu tổ hợp, nhưng một định nghĩa được sử dụng

phổ biến đó là: vật liệu tổ hợp là vật liệu được tạo thành từ hai hay nhiều thành phần khác nhau Việc sử dụng các thành phần (pha) khác nhau cho phép kết hợp các tính

chất tốt của các pha tạo thành vật liệu có tính chất phù hợp với các yêu cầu ngày càng cao của các nghành công nghệ Thông thường, hai pha trong vật liệu tổ hợp là phần hữu cơ và vô cơ Tùy theo tính chất của tương tác giữa các pha trong vật liệu tổ hợp, người ta có thể chia vật liệu tổ hợp thành 2 loại như sau: loại 1 là loại vật liệu

có tồn tại tương tác yếu như liên kết Van der Waals, liên kết hidro hoặc liên kết tĩnh điện yếu giữa 2 pha; loại 2 là loại vật liệu tổ hợp mà giữa 2 pha tồn tại tương tác mạnh [18]

Vật liệu nano Ag/chitosan

Kim loại bạc (Ag) là kim loại quý được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp và đời sống Ở kích thước nano, bạc thể hiện những tính chất vật lý, hóa học, sinh học khác biệt và vô cùng quý giá, đặc biệt là tính kháng khuẩn Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hoạt tính sát khuẩn của nano bạc tăng lên khoảng 50.000 lần so với bạc ion [76] Nhờ khả năng kháng khuẩn tuyệt vời mà nano bạc đã được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm như: tẩm trên băng cứu thương, phủ lên các loại sợi vải, sử dụng để khử trùng nước, các đồ dùng cho trẻ em [23, 36]

Có 2 phương pháp để điều chế hạt nano kim loại bạc: phương pháp từ dưới lên

và phương pháp từ trên xuống Phương pháp từ dưới lên “bottom-up” là phương pháp tạo hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion kết hợp lại với nhau Phương pháp từ trên xuống “top-down” là phương pháp tạo các hạt nano từ vật liệu khối ban đầu Các phương pháp từ trên xuống ít được sử dụng vì nano bạc chế tạo bằng phương pháp này thường có kích thước hạt lớn và không đồng đều Do vậy, đối với hạt nano bạc, người ta thường điều chế bằng phương pháp từ dưới lên Nguyên tắc là khử ion Ag+

thành Ag Các ion này sau đó liên kết với nhau tạo thành hạt nano và các hạt nano này sẽ được bọc bởi các chất ổn định như PVP, PVE, chitosan.v.v , [17, 27, 28, 29, 38] Trong đó khử hóa học là một phương pháp được sử dụng phổ biến để chế tạo nano bạc theo phương thức từ dưới lên [23] Đã có nhiều tác nhân khử được sử dụng như NaBH4, … Tuy nhiên việc sử dụng chất khử có thể gây ra tác hại với môi trường,

do đó gần đây các nhà nghiên cứu đang chú ý đến phương pháp chế tạo sử dụng các chất khử thân thiện với môi trường [36, 100, 101]

Vật liệu nano Fe 3 O 4 /chitosan

Trong tất cả vật liệu có cấu trúc nano thì các hạt nano từ tính mà đặc biệt là hạt nano Fe3O4 đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong lĩnh vực

y học, dược học và công nghệ sinh học Đó là nhờ vào khả năng hưởng ứng mạnh theo từ trường ngoài Hơn nữa, các hạt nano từ tính Fe3O4 có thể được điều chế một cách dễ dàng với lượng lớn bằng phương pháp đồng kết tủa và cũng được xác nhận rằng hầu như không gây độc với cơ thể [11, 12, 22] Để sử dụng Fe3O4 cho các mục đích trên, cơ sở quan trọng nhất là tìm cách biến đổi bề mặt của các hạt Fe3O4 để tạo

ra các nhóm chức phù hợp Đó gọi là quá trình chức năng hóa bề mặt Fe3O4, kết hợp vật liệu từ tính với chitosan sẽ tạo thành vật liệu sử dụng được cho nhiều mục đích khác nhau, từ y sinh học đến xử lý môi trường [24] Trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi sẽ khảo sát quá trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu cấu trúc nano

Fe3O4/chitosan định hướng ứng dụng trong y sinh và xử lý môi trường

1.2.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan

Vật liệu nano chitosan trong những năm gần đây được các nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm vì những tính chất ưu việt của nó ở kích thước nano Một trong những

ứng dụng có tiềm năng nhất đó là hạt nano chitosan trở thành hệ thống phân phối thuốc hiệu năng cao [1, 87, 92]

Trên thế giới, hầu hết những công trình nghiên cứu nano chitosan ứng dụng trong y sinh gần đây đều nhằm mục đích chế tạo ra những chất mang nano để dẫn truyền thuốc, protein Một số công trình tiêu biểu là điều chế hạt chitosan composite với axit polyacrylic để điều khiển và kéo dài thời gian phóng thích thuốc; biến tính với N-trimethyl mang protein làm hệ thống dẫn truyền đường mũi; tạo phức với axit deoxycholic để dẫn truyền gen [59] Ngoài ra, nano chitosan còn được nghiên cứu về khả năng diệt khuẩn [55, 56], ứng dụng trong thực phẩm chức năng [63], trong xử lý môi trường đặc biệt là dùng làm chất hấp phụ để xử lý các kim loại nặng như Cr(VI), Ni(II), Pb(II)…[58] Nhiều công trình cũng tiến hành nghiên cứu về kích cỡ, điện tích bề mặt hạt nano chitosan vì đây là những đặc tính rất quan trọng quyết định khả năng ứng dụng của loại vật liệu này vào các lĩnh vực khác nhau [1, 55, 58, 63] Tại Việt Nam, việc nghiên cứu sản xuất chitin - chitosan và các ứng dụng của chúng trong sản xuất phục vụ đời sống là một hướng nghiên cứu tương đối mới Vào những năm 1978 đến 1980, Trường đại học Thuỷ sản Nha Trang đã công bố quy trình sản xuất chitin - chitosan của tác giả Đỗ Minh Phụng, nhưng chưa có ứng dụng cụ thể trong sản xuất Gần đây trước yêu cầu xử lý phế liệu thuỷ sản đông lạnh đang ngày càng cấp bách, trước những thông tin kỹ thuật mới về chitin - chitosan cũng như tiềm năng thị trường của chúng đã thúc đẩy các nhà khoa học của chúng ta bắt tay vào nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất chitin - chitosan ở bước cao hơn, đồng thời nghiên cứu các ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp [1] Hiện nay, có nhiều cơ sở khoa học đang nghiên cứu sản xuất chitin - chitosan như: Trường Đại Học Nông Lâm - thành phố Hồ Chí Minh; Trung tâm nghiên cứu polyme

- Viện Hàn lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam; Viện Hoá học thuộc Viện Hàn lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam; Trung tâm công nghệ và sinh học Thuỷ sản

- Viện nghiên cứu nuôi trồng Thuỷ sản 2 [6]

Hướng nghiên cứu về vật liệu chitosan kích thước nano cũng đã được quan tâm nghiên cứu thời gian gần đây Trong đó có một số nhóm nghiên cứu mạnh như nhóm của tác giả Đỗ Trường Thiện (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) nghiên cứu nano chitosan ứng dụng trong dược phẩm và nông nghiệp [6], nhóm của

các tác giả Phạm Gia Điền, Trần Đại Lâm (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) nghiên cứu nano chitosan ứng dụng trong y sinh học và xử lý môi trường [88], nhóm của Nguyễn Anh Dũng (Trường Đại học Tây Nguyên) nghiên cứu nano chitosan ứng dụng trong truyền dẫn vacxin…[1]

1.3 Hạt nano sắt từ (Fe3O4)

1.3.1 Một số tính chất của hạt sắt từ

Ôxit sắt từ Fe3O4 có cấu trúc tinh thể spinel ngược với ô đơn vị lập phương tâm mặt hằng số mạng a = b = c = 0,8396 (Hình 1.2) Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử: 32 anion O2-, 16 cation Fe3+, 8 cation Fe2+ Dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion

Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion Fe2+ ở vị trí bát diện Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với các ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng triệt tiêu nhau Do đó, momen

từ tổng cộng là do tổng momen từ của các ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra Vậy mỗi phân tử Fe3O4 có momen từ của các spin trong ion Fe2+ ở vị trí bát diện gây ra và có

độ lớn là 4B (Bohr magneton) Vì vậy, tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng từ (tính chất từ khác nhau theo các phương khác nhau) Fe3O4 thể hiện tính siêu thuận từ khi

có kích thước đủ nhỏ và khi đó mỗi hạt Fe3O4 như là một đơn đômen [12]

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể Fe 3 O 4

Magnetite (Fe3O4) thuộc loại vật liệu sắt từ Vật liệu sắt từ thường thể hiện tính trễ từ do vật liệu có tính dị hướng theo trục tinh thể Tuy nhiên, nếu kích thước vật liệu nhỏ đi, chuyển động nhiệt sẽ có thể phá vỡ trạng thái trật tự từ giữa các hạt thì vật liệu sắt từ trở thành vật liệu siêu thuận từ Đặc điểm quan trọng của vật liệu siêu

thuận từ là có từ độ lớn khi có từ trường ngoài và mất hết từ tính khi từ trường ngoài bằng không

Đối với loại vật liệu sắt từ này, các mômen từ sắp xếp thành hai phân mạng phản song song nhưng độ lớn mômen từ trong hai phân mạng không bằng nhau, dẫn đến

từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trường ngoài bằng không và được gọi là

từ độ tự phát Tồn tại nhiệt độ chuyển pha Tc (nhiệt độ Curie), khiT>Tc trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ

Đối với hạt sắt từ Fe3O4, hình dạng của vòng từ trễ được xác định một phần bởi kích thước hạt (Hình 1.3) Các nghiên cứu [4, 20] đã chỉ ra rằng bản thân kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến cấu trúc đômen của vật liệu và từ đó ảnh hưởng đến đường cong từ hoá của vật liệu đó Khi hạt có kích thước lớn nó có cấu trúc đa đômen Mỗi đômen có véctơ từ độ hướng theo các hướng khác nhau Vì vậy cần có một từ trường ngoài đủ lớn để định hướng tất cả các véctơ từ độ của mỗi đômen theo hướng của từ trường ngoài, giá trị của lực kháng từ HC lớn Khi kích thước của hạt từ giảm đến một giới hạn nhất định thì sự hình thành các đômen không còn mạnh và không còn được

ưu tiên nữa Lúc này hạt từ sẽ tồn tại như những đơn đômen (single domain), ở giới hạn này giá trị của Hc có giá trị cực đại, đường cong từ hoá phình ra Bán kính giới hạn để hạt tồn tại như một đơn đômen [91]:

Trong đó A là hằng số trao đổi, K là hằng số dị hướng

Đối với vật liệu Fe3O4: A=1.28.10-11 J/m, K=1,1.104 J/m3, tính được rC=84 nm

Hình 1.3 Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [ 11 ]

Như vậy, ở kích thước dưới 84 nm, hạt sẽ tồn tại như một đơn đômen, ở đó sẽ không còn quá trình dịch vách đômen mà chỉ còn quá trình đảo từ trong hạt đơn đômen Quá trình này bao gồm chuyển động quay của tất cả các mômen từ

Khi hạt từ đạt đến kích thước rất nhỏ, nó trở thành trạng thái siêu thuận từ Khi

ấy, đường cong từ hoá của hạt siêu thuận từ là một đường thuận nghịch, có từ dư Mr bằng không và giá trị của lực kháng từ Hc bằng không

Hiện nay, hạt nano từ tính đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ sinh học nhờ khả năng tương tác với từ trường ngoài Hơn nữa, hạt nano từ tính Fe3O4 có thể được điều chế một cách tương đối dễ dàng với phân bố kích thước hạt hẹp bằng phương pháp đồng kết tủa, thủy nhiệt, vi nhũ tương hay polyol Các hạt Fe3O4 cũng được xác nhận là hầu như không gây độc đối với cơ thể [45] Các hạt nano từ tính Fe3O4 được ứng dụng một cách rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong lĩnh vực y-sinh học Chúng có thể được đưa vào cơ thể

để phục vụ cho những mục đích như dẫn thuốc đến tế bào ung thư, điều trị ung thư bằng nhiệt trị, tăng chất lượng ảnh cộng hưởng từ MRI Các hạt từ cũng có thể được

sử dụng ở bên ngoài cơ thể như: cố định enzym, phân tích miễn dịch, tách các phần

tử sinh học, ứng dụng trong cảm biến [64, 65] Đặc biệt, các hạt nano từ tính còn được dùng trong lĩnh vực làm giàu các thực thể sinh học như kháng nguyên, kháng thể, protein, ADN,… và do đó có thể làm tăng độ nhạy trong các phép phân tích y-sinh,

và là một cơ sở để phân tích chẩn đoán, phát hiện bệnh sớm [13, 20, 66]

1.3.2 Chế tạo vật liệu nano sắt từ và vật liệu tổ hợp cấu trúc nano có chứa hạt nano sắt từ

Hạt nano từ tính có thể được chế tạo theo hai nguyên tắc:

- Vật liệu khối được nghiền nhỏ đến kích thước nano (top-down)

- Hình thành hạt nano từ các nguyên tử (bottom-up)

Phương pháp thứ nhất gồm các phương pháp nghiền và biến dạng như nghiền hành tinh, nghiền rung Phương pháp thứ hai được phân thành hai loại là phương pháp vật lý (phún xạ, bốc bay ) và phương pháp hóa học (phương pháp kết tủa)

a) Phương pháp đồng kết tủa (co-precipitation): Là phương pháp hóa học dễ và

thuận tiện Khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thông qua quá trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano Phương pháp này cho đến nay đã được sử dụng chủ yếu

để tổng hợp hạt nano ôxit sắt (cả Fe3O4 và γ-Fe2O3), kích thước của hạt nằm trong khoảng 5-20nm, và từ độ bão hòa phổ biến đạt được cỡ 30-50 emu/g, còn bé hơn rất nhiều so với từ độ của mẫu khối, 90 emu/g [11]

Cơ chế tổng hợp hạt nano Fe3O4 như sau: với tỉ phần mol hợp lí Fe3+/Fe2+ = 2 trong môi trường kiềm có pH = 9 – 14 và trong điều kiện thiếu oxy

Fe3+ + H2O  Fe(OH)x3-x (thông qua quá trình mất proton)

Fe2+ + H2O  Fe(OH)y2-y (thông qua quá trình mất proton)

Fe(OH)x3-x + Fe(OH)y2-y Fe3O4 (pH > 9, nhiệt độ 60oC)

Tổng hợp các phản ứng trên chúng ta có phương trình sau:

theo, do đó đòi hỏi phải có sự biến đổi bề mặt Sự cải biến này cho phép tổng hợp các hạt với sự có mặt của các chất tương thích sinh học

b) Phương pháp phân hủy nhiệt (Thermal decomposition): Phương pháp này sử

dụng các tiền chất cơ kim, dùng nhiệt độ (từ 150 – 350oC) để phân hủy và có thể chế tạo các nano tinh thể từ tính như các oxit sắt từ (kích thước có thể từ 5-50nm), hoặc các hạt nano từ kim loại/hợp kim (Co, CoPt, FePt, FeP )

c) Phương pháp vi nhũ tương (Microemulsion): Đây là phương pháp phân tán

hai chất lỏng có độ ưa – kỵ nước rất khác nhau, từ đó tạo phản ứng (cơ chế đồng kết tủa hoặc sol-gel) tổng hợp các oxit đơn hoặc đa kim loại Ưu điểm của phương pháp này là thu được các hạt mịn với độ phân bố rất đều Kích thước hạt có thể từ 4 - 12

nm với độ sai khác khoảng 0,2 -0,3 nm Người ta đã sử dụng phương pháp này để chế tạo các hạt nano ferrit spinel MFe2O4 và hoặc oxit sắt [68]

d) Phương pháp thủy nhiệt (Hydrothermal synthesis): Sử dụng điều kiện thủy

phân, người ta đã chế tạo hàng loạt các oxit sắt từ, như Fe3O4, CoFe2O4 kích thước khá đồng đều trong vùng 9-12 nm Khi dùng thêm một số hóa chất phụ trợ (như ethylene glycol) kết hợp ủ nhiệt tại 200oC một vài ngày, có thể thu được hệ hạt oxit sắt kích thước 200-800 nm khá đều

e) Phương pháp hóa siêu âm (Sonochemical): Các phản ứng hóa học được hỗ

trợ bởi sóng siêu âm được dùng để tạo hạt nano oxit sắt Hóa học siêu âm là một chuyên ngành của hóa học, trong đó, các phản ứng hóa học xảy ra dưới tác dụng của sóng siêu âm như một dạng xúc tác Sóng siêu âm là sóng dọc, là quá trình truyền sự

co lại và giãn nở của chất lỏng Tần số thường sử dụng trong các máy siêu âm là 20 kHz cao hơn ngưỡng nhận biết của tai người (từ vài Hz đến 16 kHz) Hóa siêu âm được ứng dụng để chế tạo rất nhiều loại vật liệu nano như vật liệu nano xốp, nano dạng lồng, hạt nano, ống nano Hạt nano ôxít sắt chế tạo bằng phương pháp hóa học siêu âm khá đơn giản với từ độ bão hòa rất cao Hạt nano Fe3O4 thu được có từ độ bão hòa có thể đến 80 emu/g, cao gần bằng giá trị của Fe3O4 ở dạng khối

f) Phương pháp nghiền bi: Nghiền bi là phương pháp tạo ra hợp kim bằng cơ

học được sử dụng để tạo sự phân tán ôxit để tăng cường sự pha trộn Qui trình này liên quan đến việc trộn rất mạnh các vật liệu ban đầu dạng bột và các bi nghiền trong khoảng vài giờ Sự tác động mạnh cho phép vật liệu ban đầu nằm giữa các viên bi

nghiền để được va đập trong suốt quá trình va chạm của các viên bi Sự va chạm này được lặp đi lặp lại sinh ra năng lượng đủ để tạo ra cấu trúc hạt nano không cân bằng, thông thường trong trạng thái vô định hình hay giả tinh thể Gần đây, kỹ thuật này đã được ứng dụng để tổng hợp các ferit spinel từ như ZnFe2O4 Với phương pháp này,

ta có thể tạo ra hạt nano có kích thước khoảng 10 nm

g) Phương pháp điện hóa: Hạt nano ôxit sắt từ tính được chế tạo trong dung

dịch hữu cơ Kích thước của hạt nano từ 3 – 8 nm được điều khiển bằng mật độ dòng điện phân Sự phân tán của các hạt nano nhờ vào các chất hoạt động bề mặt Phương pháp này phức tạp và hiệu suất không cao như các phương pháp khác nên ít được nghiên cứu

Các hệ hạt nano từ khi tổng hợp phải được tiến hành ổn định bằng cách bọc một

lớp bảo vệ (có thể tiến hành đồng thời với quá trình tổng hợp (in situ) hoặc sau khi

hệ hạt nano đã tổng hợp xong (ex situ)) Lớp bọc bảo vệ có thể là chất vô cơ và hoặc

hữu cơ [13,14,70] Với các hạt lõi là kim loại sắt từ, người ta có thể tạo lớp bảo vệ bằng cách thụ động hóa bề mặt bằng một lớp oxit, ví dụ như Co@CoO Rất nhiều trường hợp người ta sử dụng các polyme để bền hóa các hạt nano từ (như đối với

Fe3O4, với MnFe2O4…) Quá trình bọc ổn định có thể ảnh hưởng mạnh đến tính chất

từ của các hạt trong lõi Đối với trường hợp vật liệu bọc là hữu cơ (polyme) hoặc vô

cơ phi kim loại (silica), tính chất từ chỉ phụ thuộc tính tương tác dipole giữa các hạt [21] Đối với các hệ hạt đa lớp từ tính khác như lõi kim loại từ, vỏ ferrit từ hoặc lõi kim loại từ vỏ kim loại Au hoặc C, các đặc trưng từ tính sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều Vì các hệ cấu trúc nano dị tính chất này có thể cho một số tính chất mới khả dụng nên chúng được quan tâm nghiên cứu khá nhiều Chẳng hạn gần đây, một số tác giả [11,90,91] đã công bố kết quả nghiên cứu hệ hạt nano lõi là CoFe2O4 vỏ là MnFe2O4 có kích thước khoảng 15 nm cho tính chất từ ghép tương tác (exchange-

coupling) lợi dụng được cả tính từ cứng (có H c lớn) của hạt lõi với từ mềm (H c nhỏ) của vỏ, nâng được hiệu suất gia nhiệt lên trên 10 lần, áp dụng cho nhiệt trị chữa lành khối u trên chuột thí nghiệm với liều chất lỏng từ tiêm vào giảm được một bậc [69,85,86]

1.4 Hệ dẫn truyền thuốc

1.4.1 Các hệ dẫn thuốc trên cơ sở vật liệu nano

Hệ dẫn thuốc nano trên cơ sở polyme thường sử dụng hai loại chính: i) polyme thiên nhiên ưa nước như: protein (gelatin, albumin); polysacarit (alginat, dextran, chitosan); ii) polyme tổng hợp kỵ nước như: polyeste (poly(ε-caprolacton) (PECL); poly(alkylcyanoacrylat) (PACA)[14, 19, 93]

Polysaccarit là polyme thiên nhiên có ở nhiều nguồn: tảo (ví dụ: alginat), cây cối (glucomanan, tinh bột, pectin, .) và động vật (chitin/CS, chondroitin) Các polysaccarit đa dạng về cấu trúc và tính chất: số lượng nhóm chức có khả năng phản ứng lớn; khoảng khối lượng phân tử rộng và thành phần hóa học khác nhau Các polysacarit tự nhiên có nhiều tính chất quý: tính hòa hợp sinh học, phân hủy sinh học, tính kháng khuẩn, kháng nấm, khả năng kích thích sinh trưởng cho cây trồng

Do có các nhóm chức gắn vào mạch phân tử, polysacarit có thể dễ dàng biến tính (bằng hóa học và/hoặc hóa sinh) tạo ra nhiều loại dẫn xuất Là vật liệu sinh học thiên nhiên, các polysacarit có tính ổn định cao, an toàn, không độc, ưa nước và có khả năng tự phân hủy sinh học Đặc biệt, hầu hết các polysacarit tự nhiên có thể được biến tính khá dễ dàng để có các nhóm chứa ưa nước như: hydroxyl, cacboxyl và amin Liên kết cộng hóa trị giữa các nhóm chức này và các phân tử sinh học là lý do để vật liệu polysacarit là vật liệu sinh học có nhiều triển vọng Ngày càng nhiều polysacarit được sử dụng làm chất mang thuốc Tùy theo đặc điểm cấu trúc, các hạt nano này được điều chế chủ yếu theo bốn cơ chế: liên kết ngang cộng hóa trị, liên kết ngang ionic (crosslinking), phức đa điện ly và tự tổ hợp các polysacarit biến tính kỵ nước [75]

Trong số các polysacarit quan trọng nêu trên, chitosan là polyme thông dụng và

có nhiều ứng dụng nhất [59, 63] Trong phân tử chitosan có nhóm chức ancol bậc 1, ancol bậc 2 và các nhóm amin Đây là các trung tâm hoạt động hóa học của chitosan Trên nguyên tử oxi nitơ của các nhóm thế này còn có đôi điện tử chưa phân chia, do vậy các trung tâm phản ứng này được coi như những tác nhân nucleophin và có thể tham gia vào một số phản ứng chuyển hóa sau: (i) Phản ứng vào nhóm amin; (ii) Phản

ứng vào cả hai nhóm chức hyđroxyl và amin; (iii) Phản ứng thế với axit monocloaxetic; (iv) Phản ứng thế với ankyl halogen (Hình 1.4)

Nhóm amin có khả năng nhận proton từ axit loãng theo cân bằng phản ứng:

Chito-NH2 + CH3COOH  Chito-NH3+ + CH3COONếu chuyển pH của hỗn hợp phản ứng về giá trị pH=7-8, phản ứng sẽ chuyển dịch theo hướng ngược lại, kết quả tạo kết tủa chitosan dạng gel Nhóm amin của chitosan có khả năng tham gia phản ứng với anđehit, đây là phản ứng thế nguyên tử oxi của nhóm cacbonyl

Để các phản ứng này xảy ra ở một trung tâm phản ứng (nhóm NH2 hoặc nhóm OH) người ta phải tiến hành khóa một nhóm, ví dụ khóa nhóm amin bằng cách cho

nó tạo ra phức với các kim loại chuyển tiếp Chitosan đã được chứng minh là có tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học tốt (đã được tổ chức Y tế Thế giới (WHO) kiểm định và đánh giá chất lượng) [63]

Tùy vào điều kiện phản ứng cacboxymetyl hóa chitosan mà phản ứng diễn ra ở các vị trí thế ở nhóm OH hoặc nhóm amin sẽ thu được các 3 loại dẫn xuất thế: O-cacboxymetyl chitosan (OCMCS), N-cacboxymetyl chitosan (NCMCS) và N,O-cacboxymetyl chitosan (NOCMCS)

Trong số các dẫn xuất tan trong nước của chitosan, O-cacboxymetyl chitosan (OCMCS) là một ete lưỡng tính (amphiprotic - vừa mang tính axit vừa mang tính bazơ), có các nhóm –COOH và –NH2 trong phân tử OCMCS có các tính chất nổi bật như: không độc, dễ phân huỷ và có tính tương hợp sinh học, kháng khuẩn, kháng nấm Với ưu điểm trên, OCMCS đã được quan tâm nhiều trong các lĩnh vực y sinh [60]

Hình 1.4 Sơ đồ biến tính chitosan để có các dẫn xuất khác nhau [56]

Những nghiên cứu gần đây cho thấy N,O-cacboxymetyl chitosan (NOCMCS) một dẫn xuất tan trong nước của chitosan, được điều chế bằng cách gắn nhóm cacboxymetyl vào vị trí nhóm amin và hydroxyl bậc một Do khả năng tan được trong nước nên NOCMCS có các tính chất lý học và sinh học như giữ nước, tạo gel, tạo màng, và tương hợp sinh học tốt NOCMCS là polyme tiềm năng làm chất mang thuốc NOCMCS được tổng hợp từ chitosan, NaOH, isopropanol và axit

monocloaxetic theo phản ứng sau (Hình 1.5)

Chitosan N,O-Cacboxymetyl chitosan

Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp NOCMCS [59]

1.4.2 Curcumin

Curcumin là thành phần chính của curcuminoit – một chất trong củ nghệ các nhà khoa học đã chứng minh curcumin có nhiều hoạt tính sinh học quý như khả năng

chống viêm, giảm đau, kháng khuẩn, nhanh lành tổn thương, tiêu diệt gốc tự do, chống ung thư [9, 80, 83] Công thức của một số hợp chất curcumin chủ yếu được

Hình 1.6 Cấu trúc của curcumin

Các hợp chất curcumin là các chất màu tan trong dầu, tan trong dung dịch kiềm nhưng không tan trong nước ở pH trung tính và axit Để hòa tan curcumin trong nước, người ta sử dụng các chất hoạt động bề mặt như natri dodecyl sulfat, gelatin, polyetylenglycol, cyclodextran Trong dung dịch, curcumin tồn tại ở trạng thái tautome giữa dạng xeton và dạng enol của diferuloylmetan

Các hợp chất curcumin tương đối bền ở môi trường axit (pH < 1), ở trong dung dịch nước có pH > 8,5, chỉ sau khoảng 30 giờ curcumin bị thủy phân thành axit ferulic

và feruloylmetan- hợp chất này sẽ bị thủy phân ra thành vanillin và axeton [37, 83] Khi ở trong dung dịch, các hợp chất curcumin không bền với ánh sáng, do đó trên bao bì của các sản phẩm thương mại có chứa curcumin đều được khuyến cáo nên tránh để chiếu sáng trực tiếp [67]

Ngay khi được phát hiện và phân lập từ củ nghệ vàng, curcumin đã được ứng dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm Curcumin tương đối bền nhiệt, trơ đối với clo, photphat và cacbonat Trong công nghiệp thực phẩm, muối của curcumin được

sử dụng làm chất chống oxi hóa, đặc biệt dùng làm chất chống ôi và nhuộm màu cam cho dầu ăn

Khả năng chống oxi hóa của curcumin gấp 8 lần vitamin E, mạnh hơn chất chống oxi hóa tổng hợp BHT (Butyl hydoxyl toluen), hoạt tính này có thể được giải thích bởi sự liên hợp của nhóm hydroxyl thế para đối với vị trí của nhóm thế 1,5-

heptadien-3,5-dion trên vòng phenyl [83] Với sự phát triển mạnh mẽ của hóa học các hợp chất thiên nhiên và đặc biệt là ngành công nghệ sinh học phân tử, hoạt tính của curcumin đã được làm sáng tỏ bởi các nghiên cứu về cơ chế tác dụng của các hợp chất này đối với các enzym cũng như đối với các tác nhân miễn dịch và các tác nhân gây bệnh trong cơ thể sinh vật Từ đó curcumin được áp dụng trong thực phẩm chức năng và trong y học để làm thuốc phối hợp điều trị nhiều loại bệnh [37]

Curcumin có tác dụng đối với hoạt tính của nhiều tác nhân gây bệnh và miễn dịch trong cơ thể người và động vật như các enzym, có vai trò là các tác nhân chống độc, điều hòa tuần hoàn, trị bệnh tiểu đường [9]

Hiện nay, y học hiện đại đã nghiên cứu và bước đầu áp dụng curcumin trong phòng ngừa và hỗ trợ điều trị nhiều loại bệnh, ví dụ: tiểu đường, rối loạn đường ruột, viêm khớp, lao, chống độc, viêm thận, viêm dạ dầy, alzheimer, vữa xơ thành mạch máu, đục thủy tinh thể, hội chứng suy giảm miễn dịch (HIV) và đặc biệt là các bệnh ung thư [46, 80]

1.5 Cảm biến sinh học

1.5.1 Giới thiệu

Những năm gần đây, các nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học (biosensors) ứng dụng trong hóa học phân tích đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước Cảm biến sinh học đo tín hiệu điện hóa (electrochemical biosensor) đáp ứng được các yêu cầu của hóa học phân tích hiện đại đó là có khả năng phân tích nhanh theo thời gian thực (real-time), có độ nhạy, độ chọn lọc và chính xác cao; thiết bị phân tích nhỏ gọn, sử dụng đơn giản, có giá thành phù hợp Với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, công nghệ nano và các loại vật liệu mới, khả năng chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học ngày một hiện thực hơn, phương pháp không đòi hỏi nhiều hóa chất, dung môi; chỉ cần lượng mẫu phân tích nhỏ đây là tiền đề của hóa học phân tích xanh, chủ đề mà hóa học hiện đại đang hướng tới Ở Việt Nam, khái niệm “cảm biến sinh học” mới chỉ được biết tới gần hai chục năm trở lại đây, nhưng với sự đầu tư tập trung các nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh đã thu được các kết quả tương đối khả quan như cảm biến xác định glucose,