Luận án: 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

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng hoá lý các vật liệu tổ hợp cấu trúc nano dựa trên nền polyme thiên nhiên chitosan (CS) và polyme dẫn polyanilin,...

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

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, Fe3 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

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 -0.1

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

30 oC, for 6 h

80 oC, 6 h

a) b)

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

3.11, t đó v đ c đ th Hình 3.12

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

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -1000

PPy PPy-Fe 3 O 4

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 Fe O 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 1439 + 0.01579

C e /q e = 0 90021 + 0.018 25 * Ce, R2=0.999

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)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

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

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