vật liệu nano tự phân hủy ứng dụng trong y sinh học

– Phân loại Với sự xuất hiện và phát triển của công nghệ nano, cellulose, polymer tự nhiên cổ xưa vàquan trọng nhất trên trái đất đã phục hồi và thu hút nhiều sự chú ý hơn trong hình dạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KH&CN VẬT LIỆU

VẬT LIỆU NANO TỰ PHÂN HỦY

ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC

Nhóm 1A

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CNC : Tinh thể nano cellulose

CNF : ợSi nano cellulose

NFC: Sợi nano cellulose

1 Giới thiệu

Trong những thập kỷ qua, hoạt động của con người và bùng nổ dân số của con người đã gây

ra những vấn đề môi trường nghiêm trọng trên thế giới Một trong những vấn đề môi trườngchính là ô nhiễm nhựa và vấn đề vi nhựa trong môi trường biển và nó đang trở thành một vấn

đề tàn khốc trên toàn thế giới Có một số báo cáo khoa học cho thấy những vi nhựa này đã cótrong cơ thể con người chúng ta Ngoài ra, dự đoán rằng lượng rác nhựa trong đại dương sẽnhiều hơn cá vào năm 2050 Do đó, việc tái chế nhựa, giảm sử dụng nhựa cần phải được tiếnhành ngay lập tức Hơn nữa, việc sử dụng và nghiên cứu nhựa phân hủy sinh học cần phảiđược theo đuổi hơn nữa

Về vấn đề này, Tiến sĩ Ryohei Mori tại Green Science Alliance Co Ltd đã bắt đầu bán màngnhựa tổng hợp phân hủy sinh học + Nano Cellulose Màng, tấm, túi được làm từ nanocellulose + PBAT (polybutylene adipate terephthalate), PBS (polybutylene succinate), PLA(poly lactic acid), PCL (poly caprolactone) và nhựa phân hủy sinh học dựa trên tinh bột Ví

dụ, nano cellulose + PLA là vật liệu có nguồn gốc 100% tự nhiên không có dầu mỏ, nhưngvật liệu này hơi giòn và dễ vỡ Trong khi đó, nano cellulose + PBAT chứa một ít dầu mỏ,nhưng linh hoạt và sở hữu các đặc tính tốt như màng, tấm và túi, và chưa kể chúng có khảnăng phân hủy sinh học

Green Science Alliance Co Ltd có thể làm cho nhiều loại nhựa phân hủy sinh học trở nênmạnh hơn về mặt cơ học trong khi vẫn duy trì khả năng phân hủy sinh học vì nano cellulosecũng có khả năng phân hủy sinh học Người ta cũng có thể làm cho nhựa phân hủy sinh họcmạnh hơn bằng sợi thủy tinh hoặc sợi carbon mặc dù chúng không bị phân hủy sinh học, do

đó, chỉ có hỗn hợp nano cellulose mới có thể là vật liệu phân hủy sinh học 100%

Nano Cellulose, Cellulose Nanofiber (CNF) có nguồn gốc từ các nguồn sinh khối tự nhiên như cây và thực vật để nó có thể tái chế và phân hủy sinh học Bởi vì nguyên liệu thô của

nó là một nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú, sản xuất với chi phí thấp Do đó, nano cellulose là một vật liệu sinh học thế hệ mới tuyệt vời Mục đích của báo cáo này là tóm tắt ngắn gọn về nghiên cứu nanocellulose, bao gồm các phương pháp chiết xuất điển hình và các ứng dụng trong y sinh học

2 Tổng quan vật liệu Nanocellulose

2.1 Nanocellulose là gì? – Phân loại

Với sự xuất hiện và phát triển của công nghệ nano, cellulose, polymer tự nhiên cổ xưa vàquan trọng nhất trên trái đất đã phục hồi và thu hút nhiều sự chú ý hơn trong hình dạng mớicủa ‘‘ nanocellulose, được sử dụng làm vật liệu mới và tiên tiến Nanocellulose được mô tả làcác sản phẩm hoặc chiết xuất từ cellulose tự nhiên (được tìm thấy trong thực vật, động vật và

vi khuẩn) bao gồm các vật liệu cấu trúc nano Sự chú ý đặc biệt là kích thước của sợinanocellulose thường có đường kính dưới 100nm và chiều dài vài micromet Nanocellulose làmột sợi nano phân hủy sinh học với trọng lượng nhẹ, mật độ thấp (khoảng 1,6 g / cm3) và nổibật thuộc tính độ bền Thông thường, họ nanocellulose có thể được chia thành ba loại, (1)tinh thể nano cellulose (CNC), với các tên gọi khác như cellulose nanocrystalline, riacellulose (nano), vi tinh thể cellulose giống như que; (2) sợi nano cellulose (CNF), với các từđồng nghĩa của sợi nano cellulose (NFC), cellulose microfibrillated (MFC), sợi nanocellulose; và (3) cellulose vi khuẩn (BC), còn được gọi là cellulose vi sinh vật [1,2]

Nanocrystalline cellulose thường được chiết xuất từ sợi cellulose bằng cách thủy phân axit[1,2] Nó có hình dạng giống hình que ngắn hoặc hình râu ria với đường kính 2-20 nm vàchiều dài 100-500nm Ngoài ra, nó chứa 100% thành phần hóa học cellulose chủ yếu ở cácvùng tinh thể (độ kết tinh cao khoảng 54-88%) [17,20]

Hình 4 Sơ đồ của cellulose nanocrystalline có thể được chiết xuất từ chuỗi cellulose sử dụng

vùng vô định hình axit thủy phân và chỉ còn lại vùng tinh thể

Nanofibrillated cellulose là các nanocellulose dài, linh hoạt và vướng víu có thể được chiếtxuất từ sợi cellulose Nó có hình dạng sợi nhỏ dài với đường kính 1-100nm và chiều dài 500-2000nm [23,24] Ngoài ra, nó chứa 100% thành phần hóa học cellulose với cả hai vùng tinhthể và vô định hình [1,2] Hình 5 cho thấy sơ đồ của cellulose sợi nano có thể được chiếtxuất từ chuỗi cellulose bằng cách phân tách các sợi fibril theo trục dọc từ lực được áp dụngbởi quá trình cơ học [17] So sánh với cellulose nanocrystalline, cellulose sợi nano có chiềudài dài hơn với tỷ lệ khung hình cao (chiều dài so với đường kính), diện tích bề mặt cao vàcác nhóm hydroxyl rộng rãi dễ dàng điều chỉnh bề mặt [20]

Hình 5 Sơ đồ cellulose sợi nano có thể được chiết xuất từ chuỗi cellulose bằng quy trình cơ

học để phân tách sợi thành kích thước nanomet đường kính

Nanocellulose vi khuẩn là một loại nanocellulose khác với cellulose nanocrystalline vànanofibrillated cel-lulose Các xenluloza tinh thể nano và sợi nano có thể được chiết xuất từ sinh khối lignocellulose (quá trình từ trên xuống TOP-DOWN) nhưng nanocellulose của vikhuẩn được tạo ra từ việc xây dựng các loại đường có trọng lượng phân tử thấp bởi vi khuẩnchủ yếu là do Gluconacetobacter xylinus trong vài tuần [23-25] Như vậy, nanocellulose của

vi khuẩn luôn ở dạng tinh khiết mà không có các thành phần khác từ sinh khối lignocellulosenhư lignin, hemiaellulose, pectin, v.v Nanocellulose vi khuẩn có thành phần hóa học tương tựnhư hai loại khác nanocelluloses Nó ở dạng dải băng xoắn với đường kính trung bình 20-100nm và chiều dài micromet với diện tích bề mặt lớn trên một đơn vị [23 -25]

2.2 Tại sao lựa chọn nanocellulose? - Tính chất vật lý, hóa học và sinh học

Là vật liệu nano tự nhiên, nanocellulose mang các đặc tính đa dạng khác với vật liệu truyềnthống, bao gồm hình thái đặc biệt và kích thước hình học, tinh thể, diện tích bề mặt riêng cao,tính chất lưu biến, trạng thái tinh thể lỏng, liên kết và định hướng, gia cố cơ học, tính chấtphản ứng bề mặt, phản ứng hóa học bề mặt , khả năng phân hủy sinh học, thiếu độc tính, v.v.Trên cơ sở các tính chất độc đáo này, cả hai sản phẩm '' tăng cường nano '' và hoàn toàn mới ''nanoenables '' đã được hình dung từ các ứng dụng hàng loạt như sửa đổi lưu biến, gia cố hỗnhợp hoặc phụ gia giấy , cho các ứng dụng cao cấp như kỹ thuật mô, phân phối thuốc và vậtliệu chức năng [14] Tất cả các tính chất của nanocellulose có thể được phân loại thành baphần, tính chất vật lý, hóa học bề mặt và tính chất sinh học Liên kết với chủ đề ‘y sinh học,

trong đó, trọng tâm của bài viết này chủ yếu được đặt vào cốt thép cơ học, các nhóm bề mặt

và điện tích, cũng như các đặc tính sinh học khác nhau của nanocellulose

2.2.1 Tính chất cơ học và khả năng gia công nano

Các tính chất cơ học của nanocellulose có thể được đặc trưng bởi các tính chất của nó trong

cả hai khu vực có trật tự (tinh thể) và mất trật tự (vô định hình) của hạt nano Các chuỗixenlulo ở các vùng vô định hình góp phần vào tính linh hoạt và độ dẻo của vật liệu khối,trong khi các chuỗi ở các vùng tinh thể góp phần vào độ cứng và độ đàn hồi của vật liệu Mô-đun của các loại nanocellulose khác nhau được dự kiến là kết quả của một quy tắc trộn giữamô-đun của các miền tinh thể và phần vô định hình Do đó, độ cứng và mô đun của CNC vớinhiều vùng kết tinh hơn nên cao hơn so với các sợi fibrin CNF và BC có cả cấu trúc tinh thể

và vô định hình

Từ những năm 1930, mô đun đàn hồi của cellulose tinh thể đã được nghiên cứu bằng cácđánh giá lý thuyết hoặc bằng các phép đo thực nghiệm (truyền sóng, nhiễu xạ tia X, quangphổ Raman và kính hiển vi lực nguyên tử - AFM) Một loạt các giá trị đã được báo cáo, vàngười ta thường chấp nhận rằng mô đun Young của cellulose tinh thể (được đồng hóa với mộttrong các CNC) phải nằm trong phạm vi 100-200 GPa, cung cấp các giá trị cụ thể tương tựnhư Kevlar (60 ) và có khả năng mạnh hơn thép (200-220 GPa) Gần đây, mô đun đàn hồicủa cellulose tinh thể đã được nghiên cứu từ mô phỏng nguyên tử sử dụng cả phương phápbiến dạng đồng nhất tiêu chuẩn và phương pháp bổ sung dựa trên vết lõm nano, được báo cáo

là 139,5 ± 3,5 GPa (tương tự Kevlar) [15] Trong một nghiên cứu khác, Dri et al đã thực hiện

mô hình cấu trúc nguyên tử của cellulose song song với cơ học lượng tử để tính toán mô đunYoungine của cellulose tinh thể, dự đoán mô đun của cellulose tinh thể cao tới 206 GPa(tương tự như thép) [16]

Một lần nữa, một loạt các giá trị cho mô đun dọc của vi sợi (liên quan đến cả CNF và BC) đãđược báo cáo dựa trên các chiến lược lý thuyết và thực nghiệm khác nhau Giá trị trung bìnhđược chấp nhận là khoảng 100 GPa cho mô đun của vi sợi cellulose Một thí nghiệm uốncong ba điểm sử dụng đầu kính hiển vi lực nguyên tử đã được thực hiện trên các vi sợicellulose để tính toán mô đun đàn hồi Kích thước của vi sợi cellulose đã được tìm thấy ảnhhưởng đáng kể đến các tính chất cơ học, và giá trị 81 ± 12 GPa được báo cáo là mô đun dọccủa CNF [17] Gần đây, mô đun của BC được báo cáo là 114 GPa thông qua phân tích kỹthuật quang phổ Raman,liên quan đến việc xác định biến dạng phân tử cục bộ của BC thôngqua sự dịch chuyển ở vị trí trung tâm của 1095cm-1 phổ Raman [18]

Có nguồn gốc từ các tính chất cơ học đặc trưng này, nanocellulose đã được sử dụng như làmột yếu tố tải cho các vật liệu chủ khác nhau Với sự phân tán đồng nhất và độ bám dính liênkết mạnh, sự hiện diện của nanocellulose có mô đun cao có thể thể hiện khả năng tạo sợinano đầy hứa hẹn cho phép chuyển ứng suất thích hợp từ vật liệu chủ (chất nền) sang pha giacường (nanocellulose)

2.2.2 Hóa học bề mặt

Từ quan điểm cấu trúc, cellulose là một homopolysacarit trọng lượng phân tử cao bao gồmcác đơn vị β-1,4-anhydro- D-glucopyranose (Hình 2) Các đơn vị này không nằm chính xáctrong mặt phẳng với cấu trúc, mà chúng giả sử một cấu trúc ghế có dư lượng glucose liên tiếpđược quay qua một góc 180 về trục phân tử và các nhóm hydroxyl ở vị trí xích đạo [19] Khảnăng của các nhóm hydroxyl này hình thành liên kết hydro đóng vai trò chính trong việc hình

thành bao bì hình sợi nhỏ và bán nguyệt, chi phối các tính chất vật lý quan trọng của vật liệu

có độ kết dính cao này [20] Như đã chỉ ra với các đường đứt nét màu xanh lam trong Hình 2,các liên kết hydro nội phân tử xảy ra chủ yếu giữa hydro do nhóm OH của carbon C3 và oxyvòng của đơn vị glucose lân cận (O5) Các liên kết hydro liên phân tử xảy ra giữa hydro củahydroxyl sơ cấp OH và 6 ở vị trí O3 trong một chu kỳ của một đơn vị lân cận, cũng nhưhydro của OH- 2 và oxy ở vị trí O6

Hình 2 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hóa học và liên kết hydro liên phân tử trong xenluloza tinh

thể

Người ta biết rằng sự định hướng song song của các chuỗi cellulose trong các sợi cơ bản, xảy

ra trong quá trình sinh tổng hợp và lắng đọng, tạo ra sự hình thành các tinh thể có chức nănghydroxyl ở một đầu, được gọi là đầu không khử (thể hiện trong màu hồng(1) trong Hình 2) )

và chức năng hemiacet ở mặt khác, được gọi là đầu khử (hiển thị màu xanh lục trong Hình 2).Một trong những đặc điểm cụ thể nhất của cellulose là mỗi đơn vị glucose của nó mang banhóm hydroxyl, tạo ra nanocellulose một bề mặt phản ứng được bao phủ bởi nhiều nhómhydroxyl hoạt động Đối với mỗi đơn vị anhydroglucose, khả năng phản ứng của các nhómhydroxyl trên các vị trí khác nhau là không đồng nhất Nhóm hydroxyl ở vị trí 6 hoạt độngnhư một rượu bậc một trong khi nhóm hydroxyl ở vị trí 2 và 3 hoạt động như rượu bậc hai.Thật vậy, nguyên tử carbon mang nhóm hydroxyl ở vị trí 6 chỉ được gắn vào một nhóm alkyl,trong khi các nguyên tử cacbon với các nhóm hydroxyl ở vị trí 2 và 3 được nối trực tiếp vớihai nhóm alkyl, sẽ tạo ra hiệu ứng không gian có nguồn gốc từ cấu trúc siêu phân tử củacellulose và tác nhân phản ứng [21] Người ta đã báo cáo rằng trên cấu trúc của cellulose,nhóm hydroxyl ở vị trí 6 có thể phản ứng nhanh gấp mười lần so với các nhóm OH khác,trong khi khả năng phản ứng của nhóm hydroxyl ở vị trí 2 được tìm thấy gấp đôi so với 3 vịtrí [22] Tuy nhiên, liên quan đến khả năng phản ứng bề mặt của các nhóm hydroxyl từnanocellulose (như CNC), việc sử dụng chất phản ứng hoặc dung môi có thể ảnh hưởng đếnkhả năng phản ứng của các nhóm hydroxyl từ các vị trí khác nhau Các nghiên cứu gần đây

đã báo cáo thứ tự phản ứng của các nhóm hydroxyl trên CNC dưới dạng nucleophile với C6 = OH-C2> OH-C3 bằng cách ether hóa [23,24]

OH-Ngoài các nhóm phản ứng, một vấn đề quan trọng khác đối với hóa học bề mặt củananocellulose là điện tích bề mặt, chủ yếu đề cập đến các este sunfat ð- trên (-OSO3-)trênCNC Các este sunfat bề mặt được giới thiệu trên CNC trong quá trình thủy phân axit

sunfuric thông qua quá trình este hóa ngưng tụ (sunfat) giữa các hydroxyl bề mặt và một phân

tử H2SO4, sử dụng một phân tử H2SO4 khác làm tác nhân ngưng tụ Do đó, CNC thủy phânH2SO4 bị tích điện âm rất cao và tạo thành huyền phù keo phân tán tốt Lượng điện tích bềmặt từ các nhóm sulfate trên CNC có thể được kiểm soát thông qua thời gian và nhiệt độ củaquá trình thủy phân H2SO4 Bên cạnh việc thúc đẩy tính ổn định cao của CNC trong dungmôi, các nhóm bề mặt có độ tích điện âm cũng cung cấp cho CNC khả năng tiếp cận ứngdụng y sinh, như hấp phụ tĩnh điện của enzyme hoặc protein [25]

2.3 Tương thích sinh học

2.3.1 Tương thích sinh học và khả năng tương thích

Khả năng tương thích sinh học được gọi là khả năng của một vật chất lạ được cấy vào cơ thểtồn tại hài hòa với mô mà không gây ra những thay đổi nghiêm trọng, đây là một yêu cầuthiết yếu đối với vật liệu y sinh [26] Liên quan đến việc đánh giá tính tương hợp sinh họccellulose, các nghiên cứu khác nhau cung cấp các kết quả khác nhau do phạm vi của cácphương pháp và các sự chuẩn bị mẫu Theo các báo cáo ban đầu [27,28], cellulose thường cóthể được coi là tương thích sinh học rộng rãi, chỉ việc dẫn chứng các phản ứng của cơ thểngoại lai ở mức độ trung bình (nếu có) trong cơ thể Tuy nhiên, người ta biết rằng cellulosekhông dễ bị phân hủy bởi cơ thể con người vì nó thiếu các enzyme phân giải tế bào, chắcchắn sẽ gây ra một số sự không tương thích Thật đáng tiếc khi các nghiên cứu trực tiếp vềkhả năng tương thích sinh học của CNC và CNF là rất hiếm Một số nghiên cứu về vật liệudựa trên CNC (như hydrogel) chỉ báo cáo các thí nghiệm nuôi cấy tế bào, thông qua sự tăngtrưởng, nhân giống và hoạt động của các tế bào để đánh giá các điều kiện tương thích sinhhọc vật liệu Các vật liệu dựa trên CNC đa dạng làm nhựa sinh học để nuôi cấy tế bào sẽđược thảo luận thêm trong phần sau Khả năng tương thích (hoặc tương thích máu) là một đặctính quan trọng khác của tính tương thích sinh học, đặc biệt đối với các vật liệu sinh học tiếpxúc với máu và các cơ quan nhân tạo, chẳng hạn như mạch máu nhân tạo, máy bơm và timnhân tạo Điều thú vị là nghiên cứu gần đây đã báo cáo sự điều chỉnh các biến đổi chuyển hóatrong máu bằng sự hiện diện của các sợi nano cellulose oxy hóa TEMPO Việc sử dụng cácsợi nano cellulose TEMPOoxid hóa cho chuột đã được chứng minh là có hiệu quả trong việclàm giảm đường huyết sau ăn, insulin huyết tương, polypeptide insulinotropic phụ thuộcglucose và nồng độ triglyceride Dường như các sợi nano cellulose TEMPOoxid hóa có cảkhả năng tương hợp huyết tương và các hoạt động sinh học duy nhất [29]

Do quy trình sinh tổng hợp của nó, BC thường được coi là một vật liệu có khả năng tươngthích sinh học tốt hơn các loại nanocellulose khác Với một nghiên cứu trong cơ thể sống vềcấy BC dưới da ở chuột trong 12 tuần [30], không tìm thấy nang xơ hoặc tế bào khổng lồ, chothấy không có phản ứng của cơ thể ngoại lai khi đưa BC vào động vật Trong khi đó, sợinguyên bào xâm nhập BC, được tích hợp tốt vào mô chủ, không gây ra bất kỳ phản ứng viêmmãn tính nào [30] Gama et al đã nghiên cứu tính tương hợp sinh học của màng BC cóđường kính nhỏ và peptide (Arg-Gly-Asp) được cấy dưới da ở cừu trong 1-32 tuần So vớicác mẫu đối chứng âm tính [polytetrafluoroetylen (ePTFE)], màng BC biến đổi peptide chỉgây kích ứng nhẹ cho mô, không có sự khác biệt đáng kể về mức độ viêm [31] Trong mộtnghiên cứu khác, tính tương thích sinh học trong cơ thể sống của màng BC được phân tíchthông qua phân tích mô học của cấy ghép dưới da dài hạn ở chuột Cấy ghép BC gây ra mộtphản ứng viêm nhẹ và lành tính giảm theo thời gian và không gây ra phản ứng cơ thể nướcngoài Hơn nữa, không có sự khác biệt nào được quan sát giữa các đối chứng và động vậtđược cấy ghép trong quần thể thymocyte và trong tiền chất tế bào lympho B và tế bào tủy

trong tủy xương [32] Với thời gian tính toán lại huyết tương và các thí nghiệm đông máutoàn phần, Gama et al đã nghiên cứu tính tương hợp của vật liệu sinh học dựa trên BC Nó đãđược báo cáo rằng màng BC tự nhiên và peptide (Arg-Gly-Asp) được bảo tồn cả cấu trúchình dạng ban đầu và thể hiện sự tương tác thuận lợi (không kích hoạt) với tiểu cầu, trong đóchỉ ra BC và BC biến đổi là vật liệu sinh học tương hợp hứa hẹn [33] Những kết luận tương

tự gần đây đã được báo cáo cho nghiên cứu về tính tương hợp của BC/ polypyrrole [34] vàBC/ polyvinyl alcohol biocomposites [35]

2.3.2 Khả năng phân hủy sinh học trong cơ thể sống

Đối với một số ứng dụng (ví dụ: van tim nhân tạo ), các vật liệu không tương thích sinh học,không phân hủy sinh học có thể được chấp nhận trong khi đối với các ứng dụng khác (ví dụ:ghép xương nhân tạo), vật liệu có thể hấp thụ sinh học cho phép tái tạo mô tốt hơn [36] Vềmặt phân hủy sinh học, cellulose có thể được coi là không thể phân hủy sinh học trong cơ thểsống hoặc, tốt nhất là phân hủy chậm, do thiếu enzyme cellulase ở động vật Tuy nhiên, dạng(nghĩa là tinh thể, hydrat hóa và sưng) của cellulose có thể ảnh hưởng đến mức độ thoái hóa,hấp thu và đáp ứng miễn dịch Khả năng phân hủy sinh học tự nhiên của các chuỗi cellulose

có thể giải thích cho sự phân hủy chậm cellulose không được lọc trong cơ thể người, mặc dùđiều này được thừa nhận và chưa được nghiên cứu đầy đủ [37] Trong một nghiên cứu đầutiên trên cơ thể sống, Miyamoto et al nhận thấy rằng sự thoái biến của các dẫn xuất cellulose

và cellulose trong các mẫu răng nanh phụ thuộc đáng kể vào dạng tinh thể cellulose và dẫnxuất hóa học [27] Cellulose tái sinh được điều chế bằng cách khử acetyl hóa cellulose (có lẽ

là dạng đa hình cellulose II tinh thể cao) không bị suy giảm đáng kể trong suốt quá trình thínghiệm 6 tuần Tuy nhiên, ngược lại, có tới 75% (w/w) các mẫu tương đương của cellulosetái sinh vô định hình đã bị biến chất và được hấp thụ trong cùng thời gian thử nghiệm Mộtnghiên cứu khác báo cáo rằng CNC thực sự có khả năng phân hủy sinh học nhiều hơn so vớifullerene và ống nano carbon trong môi trường nước, nhưng không có nghiên cứu trong cơthể sống về khả năng phân hủy sinh học [38] Gần đây, cellulose bị oxy hóa trở nên dễ bị thủyphân hơn và do đó có khả năng bị phân hủy bởi cơ thể con người Dựa trên chiến lược này,các nhà nghiên cứu đã cố gắng tăng cường khả năng phân hủy sinh học của nanocellulosethông qua quá trình oxy hóa, như báo cáo cải thiện khả năng phân hủy BC trong ống nghiệm(trong nước, nước muối đệm phosphate và dịch cơ thể mô phỏng) thông qua quá trình oxyhóa giai đoạn [39,40] Với các phương pháp xử lý oxy hóa trước thời kỳ chiếu xạ và natri trênmàng BC, đã có báo cáo rằng sự thoái hóa in vitro của BC bị oxy hóa bao gồm hai giai đoạnchính, (1) suy thoái nhanh ban đầu khoảng 70- 80% toàn bộ mẫu; (2) sự xuống cấp chậm hơncủa 5 -10%, cuối cùng sẽ giảm đi một lượng nhỏ vật liệu không thể hấp thụ Các thí nghiệmtiếp theo về sự thoái hóa trong cơ thể sống (thỏ đực New Zealand trắng) cho thấy sự xuốngcấp rõ rệt của màng BC bị oxy hóa tại mọi thời điểm, với sự xuống cấp nhanh nhất xảy ratrong 2 tuần đầu [41]

trên nanocellulose vẫn bị hạn chế ở giai đoạn sơ bộ (chủ yếu là về mức độ độc tế bào) Bảng

1 tóm tắt các báo cáo gần đây về các thí nghiệm độc học và kết luận về nanocellulose Nhìnchung, không có bằng chứng về ảnh hưởng hoặc thiệt hại nghiêm trọng của nanocellulosetrên cả cấp độ tế bào và di truyền cũng như các thí nghiệm trên cơ thể và động vật trong cơthể sống Tuy nhiên, việc hít phải quá nhiều nanocellulose (đặc biệt là đối với CNC) có thểgây ra viêm phổi do sự tự tổng hợp và không phân hủy dễ dàng của nanocellulose trong cơthể động vật

Bảng 1 Đánh giá độc tính của nanocellulose

chiếu CN

C

Thử nghiệm gây chết cấp tính Tiềm năng độc tính thấp [42]

Thử nghiệm đa vi khuẩn Nguy cơ môi trường thấp

Thử nghiệm động vật với cá tuế và

xét nghiệm sinh sản cá ngựa vằn

Thử nghiệm tế bào gan cá hồi cầu

vồng

Độc tính hô hấp của CNC khí dung

trên đường thở của con người với tế

bào đơn bào của con người

Một dòng tế bào biểu mô phế quản

Độc tính tế bào thấp Một số cytokine viêm (pro-)

Thí nghiệm trên động vật với

nghiên cứu nuôi chuột (28 ngày)

Đánh giá độc tính tế bào với các tế

bào L929

Độc tính tế bào thấp ở nồng độCNC thấp

[45]

Đánh giá độc tính tế bào với chín

dòng tế bào khác nhau

Không có tác dụng gây độc tếbào trong phạm vi nồng độ (0Phi50 lg / mL) và thời gianphơi sáng (48 h)

[46]

CNF Đánh giá độc tính tế bào với đại

thực bào người và chuột

Không có bằng chứng về tácdụng viêm hoặc độc tế bào

[47]

Xét nghiệm vi khuẩn phát quang không có làm hại DNA đáng kể [48]

Kinetic cho độc tính môi trường cấp

tính

Nhiễm độc gen in vitro với xét

nghiệm sao chổi enzyme

Độc tính thần kinh và hiệu ứng toàn

thân với mô hình tuyến trùng

thấp hoặc không có độc tế bào [49],[50]

Nghiên cứu sự hô hấp trong ống

nghiệm cho độc tính miễn dịch phổi

và nhiễm độc gen với chuột

Không có tổn thương DNA vànhiễm sắc thể

Viêm phổi

[51]

Đánh giá độc tính tế bào với các tế

bào nguyên bào sợi 3T3 (bao gồm

kiểm tra màng tế bào, hoạt động

của ty thể và tăng sinh DNA)

không có hiện tượng độc hạicho CNF thuần túy

Một số độc tính tế bào cho sửađổi-CNF (với sửa đổi bề mặtPEI hoặc CTAB)

[52]

Đánh giá độc tính tế bào với các tế

bào nguyên bào sợi của bò

Độc tính tế bào thấp ở nồng độCNF thấp (0,02 100 lg / mL)

[53]

Ảnh hưởng của biểu hiện gen trong

ống nghiệm

Giảm khả năng sống của tế bào

và ảnh hưởng của biểu hiện củacác dấu hiệu phân tử liên quanđến ứng suất và sự chết tế bào

ở nồng độ CNF cao (2000mật5000 lg / mL)

[54]

Đánh giá độc tính tế bào với

nguyên bào sợi ở người

Không có bằng chứng về độc tếbào đối với CNF thuần túy Cải thiện khả năng tươngthích tế bào của CNF được sửađổi EPTMAC

[55]

BC Đánh giá độc tính tế bào với các tế

bào nguyên bào xương và tế bào

nguyên bào sợi L929

Không có bằng chứng về độc tếbào

[56]

Đánh giá độc tính tế bào với các tế

bào nội mô tĩnh mạch rốn của con

người

Không có bằng chứng về độctính trong ống nghiệm

[57]

Thí nghiệm trên động vật với chuột

đực C57 / Bl6

Miễn dịch trong cơ thể sống với

các tế bào nội mô tĩnh mạch rốn của

con người

Không độc hại và không gâymiễn dịch

[58]

Nghiên cứu tiêm trong phức mạc

trong cơ thể sống với chuột đực

BALB / c

3 Phương pháp tổng hợp Nanocellulose

3.1 Sinh khối Lignocellulose

Sinh khối lignocellulose bao gồm các chất hữu cơ tự nhiên khác nhau, chủ yếu đề cập đếnthực vật hoặc nguyên liệu thực vật, là nhóm nguyên liệu carbon bền vững lớn nhất và lànguyên liệu hứa hẹn nhất để sản xuất bền vững sinh hóa, ethanol sinh học và nhiên liệu sinhhọc [3] Đặc biệt, sinh khối lignocellulose là một nguồn chất xơ tự nhiên có thể thay thế cácpolyme gốc dầu mỏ do các đặc tính thân thiện với môi trường nổi bật của nó Hơn nữa, chấtthải từ sinh khối như chất thải nông nghiệp và tàn dư rừng có tiềm năng tái sử dụng cao làmnhiên liệu hoặc nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm có giá trị gia tăng cao mà không có sựcạnh tranh với chuỗi thức ăn của người và động vật Cấu trúc thành tế bào của sinh khốilignocellulose chủ yếu bao gồm ba loại polymer, tức là lignin, hemiaellulose và cellulose.Tuy nhiên, thành phần và hàm lượng của ba thành phần này rất đa dạng do sự khác biệt vềloài, chủng loại và nguồn sinh khối lignocellulose [4,5] Lignin chiếm khoảng 10- 25% trọnglượng của sinh khối lignocellulose khô [6-8] Trong thành tế bào thực vật, lig-nin đóng vai trò

là chất kết dính giữ giữa cellulose và hemiaellulose (Hình 1) Với chức năng liên kết của nó,lignin cung cấp độ cứng, cường độ nén, chịu phân hủy và không thấm nước vào thành tế bàothực vật Lignin bao gồm các copolyme vô định hình khâu mạch được tổng hợp từ ngẫunhiên của ba monome phenylpropane khác nhau, tức là, p-coumaryl, coniferyl và rượusinapyl có chứa 0, một và hai nhóm methoxyl tương ứng Tỷ lệ của ba đơn vị monome chínhnày phụ thuộc vào loài và nguồn sinh khối lignocellulose Gần đây, việc phân lập lignin từsinh khối lignocellulose và quá trình khử polyme của lignin chủ yếu được nghiên cứu để sảnxuất nhiên liệu sinh học và hóa học từ nguyên liệu tự nhiên [10,12] Ngoài ra, vật liệu car-bon

dựa trên lignin cũng được áp dụng cho xúc tác, dự trữ năng lượng và loại bỏ chất ô nhiễm,

được phát triển hấp dẫn [11]

Hemiaellulose chiếm khoảng 20-35% trong khối lượng sinh học lignocellulose [6-8].Hemiaellulose là chất dị hợp tử, được tạo ra bởi các chuỗi ngắn, tuyến tính và phân nhánh củacác loại monome khác nhau như pentose và hexoses [13,14] Các loại phổ biến củahemiaellulose là xylans và glucomannans Xylans được cấu tạo dồi dào trong gỗ cứng trongkhi glucomannans chủ yếu được tìm thấy trong gỗ mềm [15,16] Hemiaellulose bám dính vàocác sợi cơ cellulose thông qua các liên kết hydro và các tương tác Van der Waal (Hình 1).Ngoài ra, nó cũng liên kết chéo với lignin [15] Sự kết hợp của hemiaellulose với cellulose vàlignin liên quan đến sức mạnh trong cấu trúc của thành tế bào thực vật Hemiaellulose có thể

bị thủy phân bởi axit, kiềm hoặc enzyme trong điều kiện nhẹ để sản xuất trích xuất ethanolnhiên liệu và các hóa chất có giá trị từ oligo hoặc monome của nó có thể được sử dụng chothực phẩm, mỹ phẩm, công nghiệp khai thác, v.v [15,16]

Cellulose là thành phần chính trong sinh khối lignocellulose, chủ yếu được định vị trongthành tế bào thực vật với tỷ lệ khoảng 35-50% [6 -8] Nó bao gồm các homopolysacarit tuyếntính của các đơn vị anhydro-D-glucose được liên kết b-1,4 với đơn vị lặp lại của celio lobiose(Hình 2) [17] Các monome của cellobiose, được đặt tên là đơn vị anhy-droglucose, bao gồm

ba nhóm hydroxyl tạo thành liên kết hydro mạnh với đơn vị glucose lân cận trong cùng một

chuỗi và với các chuỗi khác nhau, được gọi là mạng liên kết hydro và liên phân tử, tương ứng(Hình 3 ) [17] Các mạng lưới liên kết hydro này được đóng gói mạnh mẽ và chặt chẽ trongcác phần tinh thể của các sợi fibrin dẫn đến sự dẻo dai, mạnh mẽ, xơ, không hòa tan trongnước và kháng cao với hầu hết các dung môi hữu cơ trong thành tế bào thực vật [18-20] Sựđịnh hướng của các phân tử glucose và mạng lưới liên kết hydro trong cellulose có địnhhướng rộng, dẫn đến sự dị hình khác nhau của cellulose [17] Sự biến đổi của các dị thườngcellulose phụ thuộc vào nguồn sinh khối lignocellulose và phương pháp xử lý Thông thường,

có bốn loại cellulose allomor là cellulose loại I, II, III và IV [19,20] Cellulose loại I là chấtđồng phân chung của cellulose trong tự nhiên hoặc cellulose tự nhiên, là bao bì song song củamạng lưới liên kết hydro Cellulose loại II xuất phát từ quá trình tái sinh cellulose loại I bằngcách hòa tan trong dung môi hoặc trương nở trong dung dịch axit hoặc kiềm Với các tái sinhhóa học này, cellulose loại II được cấu tạo bởi sự sắp xếp khác nhau của việc đóng gói chốngsong song của mạng lưới liên kết hydro Cellulose loại III có thể thu được từ việc xử lýamoniac của cellulose I hoặc II, trong khi cellulose loại IV là sự biến đổi của cellulose IIIbằng cách làm nóng đến 260 ° C trong glycerol [19,20] Với các nhóm carbon, hydroxyl dồidào, các monome của glucose, cellulose là nguồn tự nhiên nhất để sản xuất các vật liệu dựatrên carbon, có giá trị như hóa chất, dệt may, giấy tờ,…[20,21]

Hình 1 Cấu trúc chính của thành tế bào thực vật trong sinh khối lignocellulose bao gồm

lignin, hemiaellulose và cellulose

3.2 Chiết xuất nanocellulose từ sinh khối lignocellulose

Do các đặc tính nổi bật của nanocellulose và khả năng cho các ứng dụng trong tương lai,nghiên cứu chiết xuất nanocellulose từ sinh khối lignocellulose rất hấp dẫn, đặc biệt là chiếtxuất từ phế phẩm nông nghiệp Fig 7cho thấy sơ đồ khai thác nanocellulose từ sinh khốilignocellulose bao gồm hai bước chính Đầu tiên, các thành phần không xenlulo, nhưlignin, hemiaellulose và các hợp chất khác, được loại bỏ bằng các bước xử lí thô Sau đó,nanocellulose được chiết xuất từ sợi cellulose bằng các phương pháp chiết khác nhau

[59,60]

3.2.1 Xử lý sinh khối thô (tiền xử lý sinh khối)

Ngày nay, chất thải nông nghiệp rất hấp dẫn vì là nguồn sản xuất nanocellulose Khôngchỉ có sẵn trong tự nhiên, mà việc sử dụng dư lượng nông nghiệp cũng có thể cải thiệngiá trị từ chất thải không có giá trị đến lợi nhuận cao của nanocellulose [61–63] Hơnnữa, việc sử dụng hiệu quả chất thải nông nghiệp là tốt cho môi trường Như đã chỉ ra ởtrên, sinh khối lignocellulose bao gồm các vật liệu cellulose và không xenlulo như lignin,hemiaellulose và các hợp chất khác Tiền xử lý sinh khối là một bước quan trọng để loại

bỏ các thành phần phi xenlulo khác và còn lại với các vật liệu xenlulo để tiếp tục chiếtxuất nanocellulose [59,60]

Hai phương pháp cổ điển để xử lý thô sinh khối là xử lý axit-clorit và xử lý kiềm.Phương pháp xử lý axit-clorit, còn được gọi là quá trình phân lớp hoặc quá trình tẩy

(khử), được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp bột giấy [64,65] Nó có thểloại bỏ hầu hết các thành phần và các thành phần khác bằng cách kết hợp nước cất, natriclorit và axit axetic khuấy với sinh khối lignocellulose ở 70 - 80 ° C trong 4 - 12 h [61–64] Axit axetic và natri clorit được đưa vào hỗn hợp trong khoảng thời gian, tức là vàomỗi giờ, để kiểm soát giá trị pH Sau đó, hỗn hợp được tiếp tục khuấy qua đêm, sau đórửa bằng nước cất cho đến khi đạt độ pH trung tính Các sản phẩm rắn thu được được thuthập và sấy khô trong lò ở 50 ° C, được định nghĩa là holocellulose, chủ yếu bao gồmhemiaellulose và cellulose trong sợi Sợi màu trắng của holocellulose cho thấy loại bỏthành công lignin và các tạp chất khác [62,63,66].

Phương pháp xử lý kiềm là ứng dụng của kiềm để loại bỏ polymer vô định hình củahemiaellulose và phần còn lại của lignin [61–63] Chất kiềm thường được sử dụng lànatri hydroxit (4-20% khối lượng), luôn được khuấy với holocellulose trong 1 - 5 h[63,64] Sau đó, các sản phẩm rắn thu được được rửa bằng nước cất cho đến khi đạt độ

pH trung tính và cuối cùng được sấy khô trong lò ở 50°C Các sản phẩm sợi thu được từphương pháp xử lý này chủ yếu ở dạng cellulose và các vật liệu không xenlulo khác đã bịloại bỏ [66]

Gần đây, nhiều nhóm đã sử dụng các phương pháp xử lý thô sinh khối này để loại bỏ cácvật liệu không chứa xenlulo trong chất thải nông nghiệp Ví dụ của Johar và cộng sự:[63] Vỏ trấu được xử lý trước bằng kiềm theo quy trình tẩy (khử) Họ phát hiện ra rằnghàm lượng cellulose đã tăng từ 35% khối lượng trong vỏ trấu chưa được xử lý lên 96%khối lượng trong các sản phẩm sau khi tiền xử lý bằng kiềm và tẩy trắng Hơn nữa,lignin, hemiaellulose và các vật liệu không xenlulo khác không được phát hiện trong cácsản phẩm Các chất thải nông nghiệp khác như bó dầu cọ rỗng [59,60], bã mía[61,67,68], lá dứa [62], thân táo [66], xơ dừa [69], vỏ dâu [70], vỏ gạo và vỏ đậu [71], và

xơ bông [72] cũng được xử lý trước khi chiết xuất nanocellulose

3.2.2 Chiết xuất Cellulose

Một số kỹ thuật đã được phát triển để chiết xuất nanocellulose từ vật liệu xenlulo Cácphương pháp chiết khác nhau dẫn đến sự khác biệt về loại và tính chất của nanocellulosethu được [73] Trong phần này, các phương pháp chiết chính được phân thành ba kỹthuật: thủy phân axit, thủy phân enzyme và quá trình cơ

Hình 7 Sơ đồ chiết xuất nanocellulose từ sinh khối lignocellulos

Thủy phân axit là một trong những quá trình chính để chiết xuất nanocellulose từ vật liệuxenlulo Do sự kết hợp giữa các vùng có trật tự và vô định trong chuỗi cellulose, cácvùng vô định có thể dễ dàng bị thủy phân bởi axit và các phần được sắp xếp còn lại là[17,20] Axit sunfuric là axit chủ yếu được sử dụng để thủy phân axit [74,75] Nó khôngchỉ có thể cô lập mạnh mẽ tinh thể nanocellulose, mà còn làm cho nanocellulose phân tánthành một hệ keo ổn định do quá trình ester hóa của nhóm hydroxyl bởi các ion sulfate[76,77] Các yếu tố kiểm soát chính ảnh hưởng đến tính chất của nanocellulose thu được

là thời gian phản ứng, nhiệt độ và nồng độ axit [20,73] Hạn chế chính của quá trình thủyphân axit là nước thải axit được tạo ra từ quá trình rửa nhằm trung hòa giá trị pH củahuyền phù nanocellulose Quá trình rửa thường được thực hiện bằng cách thêm nướclạnh sau đó ly tâm cho đến khi đạt được độ pH trung tính [63] Một phương pháp khác đểrửa các sản phẩm thu được là sử dụng chất kiềm như natri hydroxit để trung hòa giá trị

pH [78] Ví dụ, Maiti et al [79] chiết xuất nanocellulose từ ba loại sinh khối khác nhaubằng cách thủy phân axit với axit sulfuric 47% Sau khi phản ứng kết thúc, axit đượcchuyển ra bằng cách rửa bằng nước khử ion và ly tâm trước và sau đó, 0,5 N natrihydroxit được sử dụng để trung hòa huyền phù, sau đó rửa lại bằng nước cất 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl radical (TEMPO) có thể được sử dụng làm chất xúc tác vớichất oxy hóa chính là hypochlorite để oxy hóa nhóm hydroxyl của cellulose thànhcarboxylat [80, 82] Như vậy, xenluloza đã thu được sợi nano có đường kính khoảng 3-4nm và chiều dài vài micron với bề mặt axit cacboxylic [81,82] Quá trình oxy hóa quatrung gian TEMPO được thực hiện bằng TEMPO/ NaBr/ NaClO trong nước có giá trị pHcao, nhờ đó TEMPO và NaBr có thể được hòa tan và sau đó, quá trình oxi hóa bắt đầukhi thêm NaClO Ngoài ra, một hệ thống oxy hóa thay thế TEMPO/ NaClO/ NaClO2khác cũng có thể được sử dụng cho quá trình này trong điều kiện axit trung tính hoặc yếu[24,81] Các sợi nano cellulose oxy hóa TEMPO luôn có chiều rộng đồng đều (3-4nm)với khuôn dạng cao có thể được áp dụng như màn hình trong suốt và linh hoạt, màngchắn khí để đóng gói và làm đầy sợi nano cho vật liệu composite [81,82]

Thủy phân enzyme là quá trình xử lý sinh học, trong đó enzyme được sử dụng đểtiêu hủy hoặc biến đổi sợi cellulose [21] Nói chung, xử lý sinh học bằng enzyme có thểđược thực hiện trong điều kiện nhẹ; tuy nhiên cần thời gian hoạt động dài [21,83] Đểgiải quyết vấn đề này, quá trình thủy phân enzyme luôn được kết hợp với các phươngpháp khác Moniruzzaman et al, [83] đã nghiên cứu tách sợi cellulose khỏi dăm gỗ bằngcách xử lý thô bằng chất lỏng ion để tăng cường diện tích bề mặt có thể tiếp cận, sau đó

là thủy phân enzyme bằng laccase Các nanocellulose thu được cho thấy độ kết tinh và

độ ổn định nhiệt cao hơn các sợi gỗ tự nhiên

Quá trình cơ học là sự cô lập các sợi fibrin bằng cách sử dụng lực cắt cao để phân táchcác sợi cellulose theo trục dọc, dẫn đến xenluloza bị xơ hóa [2,21,22] Các phương pháp

cơ học được sử dụng chủ yếu bao gồm đồng nhất áp suất cao, siêu âm và phương phápnghiền bi

Đồng nhất áp suất cao (HPH) luôn được thực hiện bằng cách cho bùn xenlulo vào mộtbình có áp suất và vận tốc cao [21] Lực tác động và lực cắt trong chất lỏng được tạo ra

để phân tách các vi sợi cellulose thành kích thước nanomet Ví dụ, Li et al [68] phân lậpnanocellulose từ bã mía bằng cách đồng nhất áp suất cao Các nanocellulose thu được cóđường kính 10-20nm với độ kết tinh thấp hơn so với cellulose ban đầu Wang và cộng sự.[84] chiết xuất nanocellulose từ cellulose bông bằng cách đồng nhất áp suất cao vànanocellulose thu được có đường kính khoảng 20nm với độ ổn định nhiệt và độ kết tinhthấp hơn cellulose bông thô Sự giảm độ kết tinh xảy ra do các liên kết hydro liên phân

tử và nội phân tử của cellulose bị phá vỡ trong quá trình đồng nhất áp suất cao

Ultrasonication là một quá trình khử rung sợi cellulose với lực thủy động lực học củasiêu âm [2,21] Trong phương pháp này, công suất dao động cơ học được tạo ra, dẫn đến

sự hình thành, giãn nở và nổ bong bóng khí siêu nhỏ khi các phân tử chất lỏng hấp thụnăng lượng siêu âm [85,86] Ví dụ, Tang et al [87] đã chiết xuất nanocellulose từ giấy

lọc bột gỗ nguyên chất bằng siêu âm trong 5 giờ ở 70°C và thu được nanocellulose vớikích thước 10-100nm chiều rộng và hiệu suất 85,38%.

Ball milling (Nghiền bi) là một phương pháp cơ học mà có thể khử sợi cellulose Do lực

ly tâm từ bình quay, lực cắt được tạo ra giữa các quả bóng, giữa các quả bóng và bề mặtcủa bình [88,89] Kết quả là các sợi fibrin bị nứt với kích thước nhỏ hơn đường kính

lý do này, lựa chọn tốt hơn của phương pháp chiết xuất để tăng quy mô là quy trình mộtbước có thể chiết xuất trực tiếp nanocellulose từ dư lượng sinh học

Điều đáng chú ý là phương pháp nghiền bi trở thành tiềm năng cao để phát triển hơn nữatrong chiết xuất và ứng dụng nanocellulose Các chi tiết sẽ được thảo luận trong phầntiếp theo

3.2.3 Chiết xuất nanocellulose bằng phương pháp nghiền bì

Nghiên cứu về nghiền bi với cellulose bắt đầu từ những năm 1940 [95,96] Tuy nhiên,khi nghiền bi được sử dụng để nghiền sợi cellulose tự nhiên, cellulose vô định hình đãthu được Sự giảm độ kết tinh, kích thước và hình thái và sự thay đổi của mạng tinh thểđược phát hiện từ cellulose nghiền bi Hermans và Weidinger [95] đã nghiên cứu sự táikết tinh của cellulose vô định hình vào năm 1946 Máy nghiền bi rung được sử dụng đểkhử rung các sợi ramie và bột sợi gỗ thu được sau 4 giờ nghiền đi kèm với sự hình thànhcác sản phẩm vô định hình Hơn nữa, từ phân tích XRD, có thể thấy rằng kiểu tinh thểcũng được thay đổi từ dạng cellulose loại I sang dạng cellulose loại II sau khi nghiền bi.Trong 10 năm tiếp theo, Howsmon và Marchessault [96] đã nghiên cứu hiệu quả từ quátrình nghiền bi của cellulose bột gỗ lên đến 150 giờ khi nghiềnở trạng thái khô Họ pháthiện ra rằng quá trình khử polyme của cellulose xảy ra do quá trình cơ học nghiêm ngặtdẫn đến sự giảm đáng kể độ kết tinh Hơn nữa, sự kết tinh lại, phụ thuộc vào mạng tinhthể ban đầu và điều kiện nghiền bi, đã được nghiên cứu Cellulose loại I, II hoặc IV làsản phẩm cuối cùng sau khi kết tinh lại phụ thuộc vào các điều kiện của quá trình nghiền

bi Đây là nghiên cứu ban đầu về nghiền bi cellulose và sinh khối đã khuyến khích cácnhà nghiên cứu khác nghiên cứu nó sau đó.

Nghiền bi đã được sử dụng rộng rãi cho vật liệu nghiền và tinh chế hạt từ những năm

1990 Các thành phần chính của máy nghiền bi bao gồm các quả bóng nghiền (hoặc vậtliệu mài) với các kích cỡ khác nhau có trong bình nghiền (hoặc cốc nghiền) Ngày nay,

có nhiều loại máy nghiền bi được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và phòng thínghiệm như máy nghiền bi hành tinh, máy nghiền bi trộn và máy nghiền bi rung [97].Trong số này, máy nghiền bi hành tinh chủ yếu được sử dụng để khử rung cellulose vàsinh khối Máy nghiền bi hành tinh là một quá trình cơ học có nguồn gốc từ sự va chạmgiữa quả bóng với quả bóng và lực ma sát của quả bóng với thành của bình nghiềnchuyển động xoay tròn như trong Hình 8 [88, 90] Sự va chạm từ các quả bóng chuyểnđộng và bình dẫn đến việc nghiền các vật liệu do các hiệu ứng ma sát Điều này có thểdẫn đến kích thước nhỏ hơn với diện tích bề mặt lớn của vật liệu Tuy nhiên, có các yếu

tố khác nhau ảnh hưởng đến đặc tính của các sản phẩm được nghiền như, số lượng vàkích thước của quả bóng, tốc độ xay, trạng thái nghiền(trạng thái khô hoặc ướt), tỷ lệtrọng lượng giữa bóng và vật liệu, và thời gian nghiền [88–92]

Ago et al [98] đã nghiên cứu các đặc tính của celululose có nguồn gốc từ bôngsau khi nghiền bi với lượng nước khác nhau (0 50 wt%) với tốc độ 400 vòng / phút trong

2 giờ Người ta nhận thấy rằng ở trạng thái khô (0% khối lượng nước) và với một lượngnước nhỏ (10% khối lượng), loại cellulose tinh thể đã được thay đổi từ cellulose loại Isang trạng thái gần như vô định hình Tuy nhiên, với hàm lượng nước là 30% khối lượng,loại cellulose tinh thể đã được thay đổi từ cellulose loại I sang trạng thái ổn định củacellulose loại II Điều này ngụ ý rằng lượng nước cụ thể trong bình nghiềncó ảnh hưởnglớn đến sự sắp xếp lại trong cấu trúc tinh thể bởi lực bên ngoài từ quá trình nghiền bi.Ouajai và Shanks cũng đã nghiên cứu các đặc tính của cellulose gai dầu nghiền [99] Nóđược tìm thấy rằng cấu trúc cellulose được chia thành phần tốt hơn sau khi nghiền bóngtrong khi diện tích bề mặt tăng lên gần như tuyến tính với thời gian phay Tuy nhiên,lượng nước, lực cắt cơ học được áp dụng cho các sợi được nghiền và tốc độ sấy dẫn đến

sự tái kết tinh của cellulose vô định hình Tác dụng của dung môi được thêm vào trongmáy nghiền bi đã được nghiên cứu bởi Ago et al năm 2007 [100] Cellulose có nguồngốc từ bông được nghiền với tốc độ 200 vòng / phút trong 4 và 8 giờ với 40% (v / w)nước, toluene, 1-butanol và không có bất kỳ dung môi nào Người ta thấy rằng nghiền bivới các loại dung môi khác nhau dẫn đến các hình thái khác nhau của cellulose nghiềnbóng Nghiên cứu này cũng xác nhận rằng nghiền bi không có dung môi (hoặc trạng tháikhô) dẫn đến sự xuất hiện của chất vô định hình có độ kết tinh thấp hơn so với sợi banđầu và được nghiền bằng dung môi (Hình 9a)

Ngoài ra, nghiền bi với nước ảnh hưởng đến hình thái bởi các vết nứt theo hướng đồngtâm của sợi và sự kết tụ thành các hạt hình cầu ở một số khu vực (Hình 9b) Tuy nhiên,

quá trình nghiền bi với toluene dẫn đến các hạt giống như tấm không có vết nứt sâu trên

bề mặt sợi (Hình 9c) trong khi hỗn hợp các hạt hình cầu và dạng tấm được hình thành từquá trình nghiền bi với 1-butanol (Hình 9đ) Những nghiên cứu như vậy vào những năm

2000 đã trở thành kiến thức cơ bản cho quá trình nghiền bi cellulose và chiết xuấtnanocellulose trong những thập kỷ sau

Do kích thước và độ kết tinh của cellulose giảm đáng kể, quá trình nghiền bi có thể được sửdụng như một quá trình tiền xử lý trước khi thủy phân cellulose và sinh khối để tạo ra các hóachất có giá trị Zhao và cộng sự [101] đã nghiên cứu độ kết tinh của cellulose được nghiền bi

ở tốc độ 60 vòng/phút trong 1, 2 và 6 ngày trước khi thủy phân axit sunfuric ở 175 °C trong

bể cát sôi Người ta thấy rằng độ kết tinh đã giảm từ 0,77 khi nhận cellulose xuống 0,52được nghiền bi sau 6 ngày Tuy nhiên, với sự giảm rõ rệt của tinh thể từ quá trình nghiền bitrong 6 ngày, sự chuyển đổi cellulose thành glucose bằng cách thủy phân axit đạt mức caonhất

Điều này ngụ ý rằng sự gia tăng thời gian nghiền bi dẫn đến sự gia tăng chuyển đổi cellulosethành glucose Yu và Wu [102] đã sử dụng phương pháp nghiền bi để làm giảm độ kết tinhcủa cellulose trước khi thủy phân trong nước nóng áp suất cao để tạo ra glucose Họ cũng xácnhận rằng quá trình nghiền bi có hiệu quả đối với việc tăng tốc độ phản ứng của quá trìnhthủy phân cellulose với sự chuyển đổi hơn 80% thành glucose sau khi nghiền bi trong 7 giờ Nghiền bi cũng được sử dụng để xử lý thô sinh khối thực tế trước khi chuyển chúngthành đường Zakaria và cộng sự đã sử dụng phương pháp nghiền bi để tiền xử lýnhánh trái cây rỗng và xơ của cây cọ dầu trước khi sản xuất đường bằng cách thủyphân enzyme [103] Họ phát hiện ra rằng việc tăng thời gian nghiền bi có thể làmtăng diện tích bề mặt sinh khối để quá trình thủy phân bằng enzyme được tăngcường Với 60 phút thời gian nghiền bi trước khi thủy phân, sợi xơ của cây cọ dầu cóthể được chuyển đổi thành glucose với hiệu suất lên tới 87% Yuan và cộng sự cũng

sử dụng nghiền bi để xử lý thô mùn cưa gỗ long não và rơm cây cải dầu trước khisản xuất glucose bằng cách thủy phân thủy nhiệt [104] Họ kết luận rằng các thông

số nghiền bi ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi cellulose theo thứ tự tốc độ xay>thời gian xay> tỷ lệ khối lượng của quả bi so với sinh khối Hơn nữa, điều kiệnnghiềntối ưu là tốc độ nghiền450 vòng/phút, thời gian nghiền2 giờ và tỷ lệ khốilượng 30:1 giữa các quả bi và sinh khối Điều kiện này dẫn đến việc chuyển đổi sinhkhối thành đường với năng suất lên tới 37,8%, gấp bốn lần chuyển đổi nguyên liệuthô Nghiền bi cũng được sử dụng để xử lý thô cellulose trước khi thủy phân bằngaxit để chiết xuất nanocellulose hiệu quả Phanthong et al [105] đã nghiên cứu ảnhhưởng của quá trình nghiền bi giấy cellulose với các điều kiện nghiềnkhác nhau trước khithủy phân axit sunfuric trong điều kiện nồng độ thấp Người ta thấy rằng xử lý thô bằngphương pháp nghiền bi dẫn đến kích thước sợi có đường kính nhỏ hơn có thể thúc đẩy quátrình thủy phân axit trong điều kiện nhẹ Đầu những năm 2010, nghiền bi được sử dụng trựctiếp để chiết xuất nanocellulose như được lập bảng trong Bảng 1 Baheti et al đã nghiên cứuquá trình nghiền bi của chất thải sợi đay để tạo ra nanocellulose [88] Trong nghiên cứu của

họ, chất thải từ sợi Đay đã được xử lý trước bằng hóa chất để loại bỏ lignin và hemiaellulosetrước khi khử rung bằng cách nghiền bi

Việc so sánh trạng thái khô và trạng thái ướt (nghiền với nước khử ion) của quá trìnhnghiền bi cũng được thực hiện Họ phát hiện ra rằng sau khi nghiền bi cellulose từchất thải từ sợi đay trong 1 giờ ở trạng thái khô và ướt, sự phân bố kích thước hạt có

được từ quá trình nghiền bóng ở trạng thái khô là từ 100 đến 10.000nm trong khi quátrình nghiền bi ở trạng thái ướt dẫn đến phân bố kích thước hạt hẹp trong phạm vi

100 - 1000nm Điều này là do các nguyên liệu thô đã bị kẹt và tổng hợp trên các quả

bi nghiền và thành bình trong trạng thái nghiền bóng khô, ảnh hưởng đến sự phân bốkích thước rộng Hơn nữa, hiện tượng này không được tìm thấy trong một quả binghiền trạng thái ướt Có thể kết luận rằng việc bổ sung nước hoặc chất lỏng trongquá trình nghiền bi có thể bảo vệ nó khỏi sự kết tụ của các vật liệu bên trong cácthiết bị và dẫn đến sự phân bố kích thước hạt hẹp ở quy mô nanomet Tuy nhiên, vớinghiên cứu đầu tiên về việc sử dụng phương pháp nghiền bi để chiết xuấtnanocellulose, kích thước đường kính thu được vẫn lớn bằng khoảng 500nm, cầnđiều chỉnh thêm các điều kiện phay để giảm kích thước nhỏ hơn 100nm Zhang vàcộng sự nghiên cứu chi tiết các điều kiện nghiền bi có thể ảnh hưởng đến năng suấtsản xuất của nanocellulose chứ không phải là các hạt vô định hình [106]

Hình 9 Ảnh SEM của cellulose có nguồn gốc từ bông sau khi nghiền

bi ở (a) trạng thái khô, (b) nước, (c) toluene và (d) 1-butanol [100]

[In lại theo sự cho phép của Springer Nature, Bản quyền © 2007]

Họ đã sử dụng giấy gỗ cây lá kim đã tẩy (khử) phía Bắc làm nguyên liệu thô và tấm bộtkhô được ngâm trong 10% trọng lượng nước qua đêm trước khi nghiền bi ở các điều kiệnkhác nhau Người ta thấy rằng kích thước của các quả bi nghiềnrất quan trọng để kiểmsoát các sản phẩm sợi Ngoài ra, thời gian nghiền bi và tỷ lệ trọng lượng của quả bi vớivật liệu cũng rất quan trọng để kiểm soát sự va chạm giữa quả bi và nguyên liệu thô đểtạo ra hình thái sợi trong phạm vi 100nm đường kính của sản phẩm nanocellulose Mộtloại cỏ bản địa của Úc (Triodia pungens) đã được sử dụng để chiết xuất sợi nanocellulose thông qua ba quy trình cơ học khác nhau của Amiralian et al [107] Nghiền biđược sử dụng để phân tán nước (1% w/v) ở 25°C trong 0,5 - 3 h ở 1000 và 3000 rpms tốc

độ xay Kết quả là, ở 1000 vòng/phút trong 0,5 giờ, các sợi nano cellulose có đường kính8,7 ± 4,8nm và chiều dài vài micron đã thu được Tuy nhiên, với tốc độ nghiền cao hơn

3000 vòng/phút, các sợi nano thu được rõ ràng có đường kính và chiều dài ngắn hơn,nghĩa là, đường kính 8 ± 2nm với chiều dài 341 ± 1 00nm Rõ ràng là tốc độ nghiền cao

và thời gian nghiềnlâu hơn có thể dẫn đến giảm khuôn dạng của sản phẩm nanocellulosecuối cùng So với hai phương pháp cơ học khác (đồng nhất áp suất cao và siêu âm),người ta thấy rằng chất đồng nhất áp suất cao phù hợp để chiết xuất nanocellulose từ loại

cỏ tự nhiên này và nanocellulose thu được có kích thước trung bình đường kính 4,5nm

và một số chiều dài micron Tuy nhiên, đối với tinh thể, người ta thấy rằng năng suất củananocellulose được chiết xuất bằng phương pháp nghiền bi và đồng nhất áp suất cao gầnnhư giống nhau, tức là, 69% Ngược lại, cách siêu âm dẫn đến năng suất thấp hơn Sofla

và cộng sự nhận thấy rằng nanocellulose có thể được chiết xuất từ nghiền bi bã mía vànanocellulose thu được có khuôn dạng cao hơn khi so sánh với nanocellulose được chiếtxuất bằng cách thủy phân axit [108]

Trong khi đó, mặc dù nanocellulose thu được có thành phần hóa học tương tự, nhưng độkết tinh của nanocellulose từ quá trình thủy phân axit có giá trị cao hơn so với nghiền bi

vì vùng vô định hình có thể bị xâm nhập và loại bỏ bởi axit Tuy nhiên, độ ổn định nhiệtcao hơn đã được tìm thấy trong nanocellulose được điều chế bằng phương pháp nghiền

bi so với điều chế bằng phương pháp thủy phân axit Nghiên cứu này là so sánh đầu tiêncủa phương pháp hóa học và cơ học để chiết xuất nanocellulose từ sinh khối Nuruddin

et al đã nghiên cứu việc chiết xuất nanocellulose từ sợi kenaf và rơm lúa mì bằng cáchnghiền bi [109] Sau 2 giờ nghiền, nanocellulose có kích thước đường kính 8-100nmđược lấy từ cả sợi kenaf và rơm lúa mì, cho thấy rằng nghiền bi có thể làm giảm chiềudài và đường kính Mặc dù độ kết tinh giảm nhẹ sau khi nghiền bi, nhưng nanocellulosethu được duy trì cellulose loại I nhưng không được chuyển thành cellulose loại II hoặccellulose vô định hình Hơn nữa, không có thay đổi đáng kể về thành phần hóa học và độ

ổn định nhiệt của nanocellulose thu được khi sử dụng phương pháp nghiền bi

Đối với chiết xuất nanocellulose thông qua nghiền bi, nghiền ở trạng thái ướt thíchhợp để duy trì trạng thái xơ và ngăn ngừa khử rung sang trạng thái vô định hình.Phanthong et al [110] trước hết là nghiên cứu quá trình chiết suất nanocellulose bởi

sự kết hợp của nghiền bi với chất lỏng ion [110] Chất lỏng ion là nhóm muối có khảnăng hòa tan cellulose bằng cách phá vỡ mạng lưới liên kết hydro nội phân tử Tuynhiên, sự hòa tan cellulose bằng chất lỏng ion cần nhiệt độ cao hoặc trong điều kiệnsiêu âm Sử dụng nghiền bi ở nhiệt độ phòng đã kích hoạt thành công sự hòa tantrong chất lỏng ion với sự giảm kích thước của sợi Hình 10A-D cho thấy hình thái

bề mặt của bột cellulose, bột cellulose sau khi khuấy với BMIMCl (1- methylimidazolium clorua), bột cellulose nghiền bóng mà không có BMIMCl và bộtcellulose nghiền với BMIMCl Người ta nhận thấy rằng chỉ bằng cách nghiền bi bộtxenluloza với BMIMCl, mạng lưới sợi nanocellulose đã thu được như trong hình10D Hơn nữa, kích thước của nanocellulose thu được có chiều rộng khoảng 10-25nm với chiều dài vài micromet như được xác nhận bằng hình ảnh TEM như tronghình 10E Người ta hy vọng rằng phương pháp một bước để chiết xuất nanocellulosenày có thể được tiếp tục áp dụng để chiết xuất trực tiếp nanocellulose từ sinh khối.Nghiền biNghi cũng nổi tiếng với ứng dụng trong nghiên cứu cơ điện tử Cơ điện

butyl-3-tử kết hợp các quá trình cơ học và hóa học với nhau Ví dụ, sự biến đổi hóa học của

bề mặt cellulose có thể được nhận ra bằng lực cơ học từ quá trình nghiền bi [97].Liimatainen và cộng sự chuẩn bị cellulose dialdehyd bằng cách nghiền bi bột gỗkraft với sự có mặt của natri (meta) periodate như là tác nhân oxy hóa [111] Quátrình nghiền bi được tiến hành ở tốc độ 3500 vòng/phút ở nhiệt độ phòng trong 5 - 60phút Người ta nhận thấy rằng chỉ 5 phút nghiền bi có thể dẫn đến việc giảm kíchthước sợi nhỏ của bột gỗ kraft xuống đường kính vài trăm nanomet với chiều dàidưới 50 mm Ngoài ra, thời gian nghiền bi dài hơn dẫn đến tăng diện tích bề mặt cóthể tiếp cận đối với nanocellulose thu được, có lợi cho việc biến đổi bề mặt thôngqua tác nhân oxy hóa Sirviö và cộng sự đã điều chế cellulose dialdehyd thông qua

cơ điện tử [112], trong đó bạch dương đã tẩy khử được nghiền với natri (meta)periodate làm chất oxy hóa và với muối kim loại (LiCl và CaCl2) làm chất kích hoạt.Tại đây, quá trình nghiền bi được tiến hành ở nhiệt độ phòng với tốc độ nghiền 2000vòng/phút và thời gian nghiên lên tới 180 phút Người ta nhận thấy rằng sợidialdehyd có khuôn dạng cao có thể thu được trong 15 phút đầu tiên của thời giannghiền

Hơn nữa, việc bổ sung muối kim loại có thể tăng cường quá trình oxy hóa trong quá trìnhnghiền bi Các màng kỵ nước từ quá trình nghiền bi của vi sợi cellulose với hexanoyl clorua(HC) đã được chuẩn bị bởi Deng và đồng nghiệp [113], trong đó ảnh hưởng của thể tích HCđược thêm vào trong quá trình nghiền bi (0 - 4 mL) và thời gian nghiền(1 - 12 h) đối với tính kỵnước và tính chất cơ học của màng thu được đã được nghiên cứu Sau khi nghiền bi, dung môiphân tán được phủ lên màng bằng cách đổ vào giá đỡ polytetrafluoroetylen trong giai đoạnchân không Người ta nhận thấy rằng ở 3 giờ nghiền với 4 mL HC hoặc 6 giờ nghiền với 3 mL

HC là điều kiện nghiền tối ưu cho các tính chất cơ học Điều này là do thời gian nghiền dài hơndẫn đến việc giảm các sợi làm giảm gia cường trong nền Từ nghiên cứu này, có thể kết luậnrằng tính kỵ nước và tính chất cơ học của màng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh cácđiều kiện hóa học và nghiền bì

Hình 10 Ảnh SEM của (A) bột xenlulo, (B) trộn bột xenlulo và BMIMCl màkhông cần nghiền bi, (C) bột xenlulo bóng không có BMIMCl và (D)nanocellulose từ nghiền bi với BMIMCl, và ( E) Ảnh TEM của nanocellulose từquá trình nghiền bi với BMIMCl [110] [In lại theo sự cho phép của SpringerNature, Bản quyền © 2017]

4 Ứng dụng vật liệu nanocellulose trong y sinh học

4.1 Mô sinh học cho nuôi cấy tế bào

Do các đặc tính như tính tương thích sinh học và các tính chất cơ học của nanocellulosetương tự như mô tự nhiên, các vật liệu sinh học dựa trên nanocellulose có thể cung cấpmột môi trường thân thiện với tế bào để khuyến khích sự gắn kết và tăng sinh của tế bàonhư một chất sinh học mô đặc biệt Các loại tế bào đa dạng được nuôi cấy trên các vậtliệu sinh học dựa trên nanocellulose đã được báo cáo, và các hình thức của các vật liệunày bao gồm: hydrogel, vật liệu tổng hợp, các hạt nano điện, xốp và màng BC dườngnhư là lựa chọn phổ biến nhất cho môi trường nuôi cấy tế bào vì độc tính tế bào thấp và

độ xốp cao

Liên quan đến môi trường dựa trên CNC để nuôi cấy tế bào, một số nghiên cứu đã áp

dụng các huyền phù thông thường của các tinh thể nano không biến đổi hoặc biến đổihuỳnh quang làm môi trường cho các tế bào Từ các tế bào côn trùng SF9 và Hamsternguyên bào sợi V79, đến nguyên bào sợi của con người, các tế bào thận phôi ngườiHEK293 và tế bào phổi của con người, không tìm thấy độc tính tế bào đáng kể đối vớicác mô hình tế bào khác nhau, và các nghiên cứu về sự tăng sinh tế bào [43,62–64].Dugan et al sử dụng phương pháp phủ spin, các lớp màn đơn phụ được chuẩn bị với các

bề mặt định hướng của CNC Do hình dạng và kích thước nano của CNC, các tế bàomyoblasts C2C12 đã sử dụng các hình thái định hướng ngày càng tăng để đáp ứng với

bề mặt nano hấp phụ và định hướng dày đặc hơn Với đặc điểm chiều cao trung bình chỉ5-6nm, bề mặt CNC thể hiện các tính năng nhỏ nhất để gây ra những định hướng vachạm trong cơ vân của cơ xương [65,66] Gần đây, các sợi nano điện dựa trên CNC,mang tính chất cơ học phù hợp, suy thoái trong ống nghiệm và khả năng tương thích tếbào cơ bản, đã được chứng minh là những giá đỡ sinh học nanocompozit hứa hẹn chonuôi cấy tế bào Nó đã được báo cáo rằng các hạt nano poly (axit lactic) được ghép bằngđiện cực được gia cường bằng CNC có thể là giá đỡ hỗ trợ để nuôi cấy tế bào gốc trung

mô có nguồn gốc từ mỡ của người trưởng thành (hASCs) và thúc đẩy sự tăng sinh tếbào Nồng độ CNC thấp cải thiện hiệu quả tính ổn định nhiệt và tính chất cơ học của gía

đỡ, nhưng không gây ra bất kỳ tác động gây độc tế bào nào đối với sự tăng sinh củahASCs trong vòng 7 ngày [67] Một nghiên cứu khác đã báo cáo việc ứng dụng vật liệugiá đỡ toàn bộ cellulose (CNC / cellulose) vào tế bào nuôi cấy và sự phát triển của địnhhướng CNC trong giá đỡ đối với sự phát triển của tế bào Fig 3(a and a0) trình bày hìnhảnh kính hiển vi quét (SEM) laser đồng tiêu (CLSM) của các tế bào nang răng người (hDFC)được nuôi cấy trên các tế bào nano CNC / cellulose trong 3 và 7 ngày Nó đã chỉ ra rằng CNC

có thể phân tán tốt trong các gía đỡ điện âm và đạt được định hướng đáng kể dọc theo hướngtrục dài Các tế bào nuôi cấy có thể sinh sôi nảy nở nhanh chóng không chỉ trên bề mặt mà cònsâu bên trong Thú vị hơn, sợi nano/ cellulose thẳng hàng thể hiện tác động mạnh mẽ trongviệc điều khiển tổ chức tế bào [68]

Dưới nồng độ được kiểm soát, huyền phù nước CNF có thể tự hình thành hydrogel đểcung cấp môi trường phù hợp với sự hỗ trợ cơ học cần thiết cho sự phát triển và biệt hóa

tế bào Nó đã được báo cáo rằng hydrogel CNF có thể thúc đẩy sự biệt hóa tế bào của

các dòng tế bào gan của con người (HepG2 và HepaRG) và gây ra sự hình thành các tếbào [69]

Các loại nhựa sinh học dựa trên BC khác nhau để áp dụng nuôi cấy tế bào có thể được chiachủ yếu thành ba khía cạnh, đó là giá đỡ hạt/ màng BC, biocompozit BC/nền và hạt BC biếnđổi bề mặt Về các vật liệu nền được sử dụng cho các hệ thống gía đỡ BC có: chitosan,agarose, alginate, collagen, gelatin, poly-pyrrole, và poly (3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybuty-Rate) [P (3HB-co-4HB) ] đã được nghiên cứu như là nền cho các tế bào nuôicấy Và có thể sử dụng axit trifluoro-acetic làm đồng dung môi Để tăng cường hơn nữa sựgắn kết tế bào trên các giá đỡ sinh học dựa trên BC, có thể thực hiện sửa đổi bề mặt, chẳnghạn như lớp phủ protein hoặc peptide, xử lý plasma, sunfat hóa bề mặt hoặc phosphoryl hóa

4.2 Thuốc thay thế/ vật liệu sinh học y tế

Các tính chất cơ học đầy hứa hẹn và khả năng sinh học tốt của nanocellulose thúc đẩy nghiêncứu và phát triển của nó như là vật liệu sinh học y tế/ thuốc thay thế, chẳng hạn như thay thếmạch máu (ghép mạch máu), mô mềm và nhân tế bào động mạch Các nghiên cứu vềnanocellulose khi thay thế mạch máu là hấp dẫn và hiệu quả nhất, như báo cáo từ các tácdụng trong các thí nghiệm động vật khác nhau trước khi nghiên cứu lâm sàng Liên quan đếncác nghiên cứu về nanocellulose như mô mềm và nhân tế bào động mạch, hầu hết các báo cáovẫn đang ở giai đoạn cơ bản, và chủ yếu tập trung vào việc so sánh các tính chất khác nhaugiữa các vật liệu dựa trên nanocellulose và các cơ quan thực

4.2.1 Thay thế mạch máu

Một trong những phương pháp điều trị phổ biến nhất đối với bệnh tim mạch là phẫu thuậtghép bắc cầu mạch vành, được hình thành để cung cấp máu cho mô tim với sự thay thế mạchmáu phù hợp Có độ bền cơ học tốt (áp suất nổ lên tới 880 mmHg) và khả năng tương thíchsinh học máu, có thể phát triển nanocellulose (đặc biệt đối với BC) làm vật liệu cho các ốngnhân tạo được sử dụng làm tiềm năng thay thế nhỏ (<4 mm) hoặc lớn (> 6 mm) kích thướcmảnh ghép mạch máu Nhóm nghiên cứu của Dieter Klemm (Đại học Jena và Polymer Jena,Đức) là tổ chức nghiên cứu đầu tiên nghiên cứu và áp dụng thay thế mạch máu nhân tạo thuđược bằng vật liệu sinh học từ BC Họ đã thảo luận về việc áp dụng BC như thay thế mạchmáu trong một số ấn phẩm [137-139] và đặc biệt mô tả một sản phẩm lâm sàng có tênBActerial SYnthesized Cellulose (BASYC) với độ bền cơ học cao ở trạng thái ẩm ướt, tínhchất giữ nước khổng lồ và độ nhám thấp của bề mặt ống bên trong Được biết, BASYC từ BC

đã được sử dụng thành công như là mạch máu nhân tạo ở chuột và lợn cho vi phẫu[140,141] So với các vật liệu ghép mạch tổng hợp thông thường, ví dụ: polyester (Dacron)

và ePTFE, ống BC sinh tổng hợp có thể phù hợp với ống dẫn mạch có đường kính nhỏ (<4mm) và hạn chế hiện tượng cảm ứng huyết khối và hẹp van BASYC, BActerial SYnthesizedCellulose (ống BC) với các kích thước khác nhau được thể hiện trong Hình 4 (a) Gần đây,nhiều tính chất và đánh giá sinh học của các ống BC khi thay thế mạch máu đã được nghiêncứu, liên quan đến các vấn đề về đông máu do BC sinh học [142] , gắn tế bào, tăng sinh, xâmlấn và xâm lấn [143], phân tích huyết động và đánh giá vi tuần hoàn [144] , v.v