Nghiên cứu chế tạo hệ vận chuyển thuốc chữa bệnh tiểu đường từ hạt micro pcl chứa insulin và hydrogel nhạy nhiệt độ

Sự ảnh hưởng các thông số chế tạo hạtnhư: loại dung môi, nồng độ polymer, loại PCL, điện thế áp vào, khoảng cách phun,lưu lượng phun lên hình thái và kích thước của hạt micro PCL và In-P

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VŨ VIỆT LINH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VẬN CHUYỂN THUỐC CHỮA BỆNH TIỂU ĐƯỜNG TỪ HẠT MICRO PCL CHỨA INSULIN VÀ HYDROGEL NHẠY NHIỆT ĐỘ/PH OS-PCL-PEG-PCL-OS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật Liệu

Mã số chuyên ngành: 62520309

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Công trình được hoàn thành tạiTrường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Đại Phú

Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Đình Thành

Phản biện độc lập 2: PGS TS Nguyễn Thị Phương Phong

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Đại Hải

Phản biện 2: PGS TS Hoàng Thị Đông Quỳ

Phản biện 3: PGS TS Lê Thị Kim Phụng

Luận án đã được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp tại

Trường Đại Học Bách Khoa - ĐH Quốc gia Tp.HCM.

vào lúc 8 giờ 30 ngày 16 tháng 07 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

- Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quảnghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất

kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.Tác giả luận án

Chữ ký

Nguyễn Vũ Việt Linh

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Hạt micro polycaprolactone (PCL) và hạt micro PCL chứa thuốc insulin (In-PCL)được chế tạo bằng phương pháp electrospray Sự ảnh hưởng các thông số chế tạo hạtnhư: loại dung môi, nồng độ polymer, loại PCL, điện thế áp vào, khoảng cách phun,lưu lượng phun lên hình thái và kích thước của hạt micro PCL và In-PCL được nghiêncứu có hệ thống bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kích thước hạt và độ phân bốkích thước hạt được xác định bằng phần mềm ImageJ và Minitab Tính chất và sựphân hủy của hạt micro PCL trong môi trường in-vitro (dung dịch PBS) được đánh giábằng phổ hồng ngoại (FTIR), sắc ký khí khối phổ (GC-MS) và sắc ký gel (GPC) Cáchạt micro PCL có diện tích bề mặt tiếp xúc với dung dịch PBS càng lớn sẽ phân rã vàphân hủy nhanh hơn, xảy ra khi hạt có bề mặt nhăn nhiều và có lỗ xốp hoặc hạt có kíchthước nhỏ Sau 70 ngày thử nghiệm, khối lượng phân tử trung bình số (Mn) của PCLgiảm 80%, từ 45.000 g/mol xuống 6.432 g/mol

Copolymer pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS được tổng hợp trên cơ sở phản ứngester hóa giữa nhóm -COOH của m-serin và -OH của triblock PCL-PEG-PCL trongdung môi DCM (thay cho DMF), làm giảm đáng kể các công đoạn lọc rửa và tiết kiệmthời gian Cấu trúc của pentablock được đánh giá bằng phương pháp cộng hưởng từhạt nhân (H1NMR) và GPC Kết quả cho thấy đã tổng hợp thành công pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS và làm tăng được hiệu suất phản ứng lên 45% Hydrogel (28 %klpentablock) nhạy cảm nhiệt độ/pH có sự chuyển pha sol-gel trong môi trường in-vitrokhi thay đổi nhiệt độ và pH Hydrogel pentablock này được sử dụng nghiên cứu kếthợp với hạt micro In-PCL (hạt micro PCL/hydrogel) làm hệ vật liệu mang thuốc trịbệnh tiểu đường Hydrogel pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS và hệ hạt microPCL/hydrogel tồn tại dạng sol ở pH > 8,5, nhiệt độ phòng và chuyển sang gel tại pH7,4, 37oC Hydrogel và hệ vật liệu chuyển thành khối gel dưới da chuột sau 1 giờ tiêm;khối gel phân hủy hoàn toàn sau 30 ngày

Độc tính của vật liệu lên tế bào được đánh giá bằng phương pháp dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazoliumbromid (MTT) theo tiêu chuẩn ISO10993-5: 2009 Phương pháp MTT thể hiện khả năng sống của dòng tế bào 293T và

3-(4,5-RAW 264.7 trong dung dịch ủ hạt micro PCL cao hơn 82%, và của copolymer PCL-PEG-PCL-OS cao hơn 92% Như vậy hạt micro PCL và copolymer không gâyđộc hại với tế bào 293T và RAW 264.7.

OS-Nghiên cứu khả năng mang thuốc và giải phóng thuốc insulin của hạt micro PCL và hệvật liệu hạt micro In-PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS trong môi trường in-vitro,với thông số chế tạo hạt như sau: 9%kl PCL (Mn= 45.000 g/mol) trong DCM, điện thế

18 kV, lưu lượng phun 0,8 ml/h, khoảng cách phun 22,5 - 25 cm Insulin được đưa vàohạt micro PCL ở 2 nồng độ % khối lượng: 25 %kl (25In-PCL) và 20 %kl (20In-PCL).Hiệu quả mang thuốc insulin của của hạt 25In-PCL là 80% và của hạt 20In-PCL là90% Sau 8 giờ đầu tiên, hàm lượng thuốc giải phóng ra khỏi hạt micro 25In-PCL là42,77% và hạt 20In-PCL là 32,45% Sau đó hàm lượng thuốc giải phóng được duy trìđều đặn từ 2 - 4% sau 16 giờ So với hạt micro In-PCL, hệ hạt micro In-PCL/hydrogel

đã hạn chế được sự bùng phát thuốc insulin trong 8 giờ đầu (hệ hạt micro PCL/hydrogel giảm còn 25,83% và 20In-PCL/hydrogel, giảm còn 18,14%) Thời giangiải phóng insulin kéo dài và lượng thuốc được duy trì ổn định sau 1 - 16 ngày

Microparticles of polycaprolactone (PCL) and insulin-loaded PCL (In-PCL) werefabricated by the electrospray method The influence parameters on fabrication processsuch as solvent, polymer concentration, PCL kinds, applied voltage, collectingdistance, and flow rate on the morphology and size of microparticles (MPs) weresystematically investigated by scanning electron microscopy (SEM) The particle sizeand size distribution were determined by using Image J and Minitab software Theproperties and the degradation of PCL MPs in-vitro condition (phosphate buffer saline(PBS)) were evaluated by the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), gaschromatography-mass spectrometry (GC-MS) and gel permeation chromatography(GPC) The PCL MPs’ degradation rate was accelerated when the surface area of MPscontacting with the PBS solution was increased, especially, the MPs have pores andwrinkles or small size After 70 days of testing, the number average molecular weight(Mn) of PCL reduced 80%, from 45.000 g/mol to 6.432 g/mol

The copolymer pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS was synthesized based on the esterreaction from the -COOH group of m-serin and the -OH group of triblock PCL-PEG-PCL in DCM solvent (replacing DMF), leading to less complicated process and time-saving The structure of pentablock was determined by Proton nuclear magneticresonance (H1NMR) and GPC methods The results indicated that the pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS was synthesized successfully while the reaction efficiency reached

up to 45 % The sensitive temperature/pH hydrogel (28 wt.% pentablock) showed thesol-gel transition in-vitro test when the temperature and pH changed This hydrogelwas combined with the In-PCL MPs (In-PCL MPs/hydrogel) to produce the insulindelivery system for diabetes treatment Hydrogel pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OSand the complex of PCL MPs/hydrogel 28 wt.% pentablock was sol state at pH > 8.5,room temperature, and changed to gel at pH 7.4, 37oC Hydrogel and the complex wasform gel under mouse’ skin after 2 hours injection; this gel was degraded absolutelyafter 30 days

The cytotoxicity of materials was investigated by diphenyl tetrazoliumbromid (MTT) assay following the instruction of ISO 10993-5standard The MTT assay indicated that the 293T and RAW 264 cell viability of PCLMPs supernatant were higher 82%, and of copolymer OS-PCL-PEG-PCL-OSsupernatant was higher 92% Therefore, the electrosprayed PCL MPs and copolymerwere non-toxic with 293T and RAW 264 cells.

3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Investigating the efficiency encapsulation and release profile of In-PCL MPs andcomplex gel of In-PCL MPs/ hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS in in-vitro conditionwas conducted with the processing parameters such as: 9% PCL (Mn = 45,000 g/mol)

in DCM solvent, applied voltage of 18 kV, collecting distance of 22.5 - 25 cm Insulinwas encapsulated in PCL MPs with different concentrations: 25% insulin (wt./wt.)(25In-PCL) and 20% insulin (wt./wt.) (20In-PCL) The insulin efficiencyencapsulation of 25In-PCL MPs was 80% and 20In-PCL MPs was 90% The insulinreleases after 8 h were 42.77% and 32.45% for 25In-PCL MPs and 20In-PCL MPs,respectively After that, the insulin releases were maintained 2 - 4% after 16 h Incomparison, the complex gels prevented burst release of insulin during first 8 h (thecomplex gel of 25In-PCL MPs/ hydrogel reduced 25.83% and complex gel of 20In-PCL/hydrogel decreased 18.14% of the insulin release) As a result, the release timewas prolonged and the release of insulin amount remained stable after 1 - 16 days

LỜI CÁM ƠN

Sự thành công nào cũng cần có những nỗ lực và kiên trì, có như vậy thì thành côngmới có giá trị thực sự Bản thân tác giả trong 4,5 năm thực hiện luận án tiến sĩ đã họchỏi được rất nhiều kỹ năng như: giải quyết vấn đề, sắp xếp và lập kế hoạch thực hiệnthí nghiệm, kỹ năng tìm thông tin và cập nhật kiến thức, kỹ năng viết báo,… Ngoàiviệc tự trao dồi kiến thức, tác giả đã được sự hỗ trợ, giúp đỡ của các đồng nghiệp, quýthầy cô và gia đình

Tác giả chân thành gửi lời tri ân đến thầy hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Đại Phú và cácquý thầy cô của bộ môn Polymer, khoa Công Nghệ Vật Liệu, Trường Đại Học BáchKhoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức và đóng góp

ý kiến cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án tiến sĩ

Tác giả xin trân trọng cám ơn các đồng nghiệp tại phòng Thí nghiệm Trọng ĐiểmQuốc gia về Vật Liệu Polymer & Compozit và Khoa Công nghệ Vật Liệu, Trường ĐạiHọc Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ trang thiết bị,dụng cụ thí nghiệm và chia sẻ kiến thức trong quá trình tác giả thực hiện các nghiêncứu khoa học tại trường Tác giả chân thành cám ơn các thầy cô của khoa Công nghệhóa học- trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ trang thiết bịthí nghiệm trong quá trình tác giả thực hiện nghiên cứu tại đây

Xin chân thành cám ơn bạn bè, gia đình đã động viên, ủng hộ và giúp đỡ tác giả trongsuốt thời gian thực hiện luận án tiến sĩ

Tác giả

NCS Nguyễn Vũ Việt Linh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT LUẬN ÁN ii

ABSTRACT iv

LỜI CÁM ƠN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii

MỞ ĐẦU 1

Đặt vấn đề và ý tưởng khoa học 1

Mục tiêu nghiên cứu 3

Nội dung nghiên cứu 3

Ý nghĩa khoa học 4

Ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Hạt nano-micro polymer 5

1.1.1 Tổng quan về hạt nano-micro polymer 5

1.1.2 Nguyên lý của phương pháp electrospray chế tạo hạt nano-micro polymer 5 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái, và kích thước hạt electrospray polymer 6

1.2 Hydrogel 15

1.2.1 Tổng quan về hydrogel 15

1.2.2 Hydrogel nhạy nhiệt độ 18

1.2.3 Polymer nhạy pH 19

1.2.4 Hydrogel nhạy nhiệt độ/pH 20

1.2.5 Ứng dụng của hydrogel nhạy nhiệt độ/pH 21

1.3 Thuốc insulin chữa bệnh tiểu đường 22

1.3.1 Bệnh tiểu đường và phương pháp điều trị bệnh tiểu đường 22

1.3.2 Giới thiệu về insulin 23

1.3.3 Vai trò của insulin 24

1.4 Cơ chế mang thuốc và giải phóng thuốc của hạt micro polymer, và hydrogel nhạy nhiệt/pH 25

1.4.1 Cơ chế mang thuốc và giải phóng thuốc của hạt micro polymer 25

1.4.2 Cơ chế mang thuốc và giải phóng thuốc của hydrogel nhạy nhiệt/pH 27

1.5 Tổng quan các nghiên cứu liên quan 29

1.5.1 Phương pháp electrospray trong chế tạo hệ vật liệu mang thuốc 29

1.5.2 Hệ vật liệu kết hợp hạt nano-micro polymer và hydrogel 33

1.5.3 Các nghiên cứu trong nước về lĩnh vực liên quan 36

1.6 Các nghiên cứu về phương pháp thử nghiệm phân hủy hạt micro PCL trong môi trường in-vitro 36

1.7 Các nghiên cứu về khả năng mang thuốc và giải phóng thuốc insulin trong môi trường in-vitro bằng phương pháp HPLC 39

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 41

2.1 Nguyên vật liệu và dụng cụ thí nghiệm 41

2.1.1 Nguyên vật liệu 41

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 42

2.2 Phương pháp nghiên cứu 43

2.2.1 Chế tạo hạt micro PCL và hạt micro In-PCL bằng phương pháp electrospray 44

2.2.2 Thử nghiệm sự phân hủy hạt micro PCL trong môi trường in-vitro 45

2.2.3 Tổng hợp pentablock copolymer OS-PCL-PEG-PCL-OS 46

2.2.4 Thử nghiệm độc tính của hạt micro PCL và copolymer OS-PCL-PEG-PCL-OS bằng phương pháp MTT 52

2.2.5 Chế tạo hệ vật liệu hạt micro PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS 52

2.2.6 Khảo sát sự chuyển pha sol-gel của hydrogel và hệ vật liệu hạt micro PCL/hydrogel trong môi trường in-vitro 53

2.2.7 Thử nghiệm sự hình thành và phân hủy khối gel của hydrogel nhạy nhiệt/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS và hệ vật liệu hạt micro PCL/hydrogel trong môi trường in-vivo (trên chuột) 56

2.2.8 Nghiên cứu khả năng mang thuốc và quá trình giải phóng thuốc insulin của hạt PCL và của hệ vật liệu hạt In-PCL/ hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS trong in-vitro 57

2.2.9 Các phương pháp đánh giá vật liệu 59

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 63

3.1 Chế tạo hạt PCL bằng phương pháp electrospray 63

3.1.1 Ảnh hưởng của dung môi lên hình thái và kích thước hạt micro PCL 63

3.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ polymer lên hình thái hạt micro PCL 66

3.1.3 Ảnh hưởng của chế độ phun đến sự hình thành hạt micro PCL 68

3.1.4 Ảnh hưởng của các thông số gia công đến hình thái và kích thước hạt PCL 70 3.2 Chế tạo hạt PCL mang thuốc insulin bằng phương pháp electrospray 76

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ lên hình thái và kích thước của hạt micro PCL mang thuốc insulin 77

3.2.2 Ảnh hưởng của thông số gia công lên hình thái và kích thước hạt In-PCL 78 3.2.3 Ảnh hưởng của loại PCL lên hình thái và kích thước hạt micro In-PCL 82

3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ insulin lên hình thái và kích thước của hạt PCL mang thuốc insulin 83

3.3 Thử nghiệm phân hủy hạt micro PCL trong môi trường in-vitro 85

3.3.1 Chế tạo hạt micro PCL có hình thái và kích thước khác nhau 85

3.3.2 Ảnh hưởng của hình thái hạt electrospray PCL lên khả năng phân hủy PCL trong môi trường in-vitro 86

3.3.3 Ảnh hưởng của kích thước hạt electrospray PCL lên khả năng phân hủy PCL trong môi trường in-vitro 88

3.3.4 Ảnh hưởng của loại polymer lên khả năng phân hủy của hạt micro PCL 90 3.4 Đánh giá tính chất của hạt micro PCL 93

3.5 Tổng hợp pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS 96

3.5.1 Xác định cấu trúc của pentablock bằng H1NMR 96

3.5.2 Xác định khối lượng phân tử của pentablock bằng sắc ký gel GPC 99

3.5.3 Nghiên cứu sự chuyển trạng thái sol-gel trong môi trường in-vitro của hydrogel nhạy nhiệt/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS 100

3.5.4 Độc tính của copolymer OS-PCL-PEG-PCL-OS lên tế bào sống bằng phương pháp MTT 102

3.5.5 Nghiên cứu sự hình thành và phân hủy khối gel của hydrogel và nhạy nhiệt/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS trong môi trường in-vivo 104

3.6 Chế tạo hệ vật liệu hạt nano-micro electrospray In-PCL và hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS 106

3.6.1 Nghiên cứu sự chuyển trạng thái sol-gel trong in-vitro của hệ hydrogel và

hạt micro PCL 106

3.6.2 Nghiên cứu sự hình thành và phân hủy khối gel của hệ hạt micro PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS trong môi trường in-vivo 108

3.7 Nghiên cứu khả năng mang thuốc và sự giải phóng thuốc insulin trong in-vitro của hạt micro PCL và hệ vật liệu hạt micro In-PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS 111

3.7.1 Lập đường chuẩn nồng độ insulin bằng phương pháp HPLC 111

3.7.2 Nghiên cứu khả năng mang thuốc và giải phóng thuốc insulin của hạt In-PCL trong môi trường in-vitro 112

3.7.3 Nghiên cứu khả năng giải phóng thuốc của hệ vật liệu hạt micro electrospray In-PCL và hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117

Kết luận 117

Kiến nghị 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 119

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 0.1 Đồ thị giải phóng thuốc insulin theo thời gian điều trị 1

Hình 1.1 Công nghệ electrospraying để chế tạo hạt nano-micro polymer 5

Hình 1.2 Sự thay đổi hình thái hạt polystyrene theo nhiệt độ sôi của dung môi 8

Hinh 1.3 Ảnh hưởng của nồng độ polymer đến hình thái hạt thu được bằng phương pháp electrospray tương ứng với các chế độ khác nhau 10

Hinh 1.4 Minh họa ảnh hưởng của Mwđến hình thái hạt thu được bằng phương pháp electrospray với polymer có Mwthấp (LM) và Mwcao (HM) 11

Hinh 1.5 Ảnh hưởng của kích thước đầu kim đến hình thái hạt nano chitosan 14

Hinh 1.6 Ảnh hưởng của điện trường lên sự hình thành các chế độ phun 15

Hinh 1.7 Đồ thị sol-gel của hydrogel nhạy nhiệt/pH, nhạy anion (bên phải) và nhạy cation (bên trái) 21

Hình 1.8 Cấu trúc của phân tử Insulin 24

Hinh 1.9 Cơ chế nhả thuốc của hạt rắn nano-micro polymer 26

Hinh 1.10 Cơ chế mang thuốc và nhả thuốc của hydrogel nhạy nhiệt/pH 27

Hinh 1.11 Sự tạo liên kết tĩnh điện giữa insulin và khối PAE 27

Hinh 1.12 Cơ chế giữ và giải phóng thuốc insulin từ hydrogel pentablock PAE-PCL-PEG-PCL-PAE, a) dung dịch polymer sol tại 10oC, pH=7,0, b) gel tại 37oC, pH=7,4, c) sự giải phóng insulin nhờ phân hủy polymer 28

Hinh 1.13 Hệ vận chuyển thuốc Paclitaxel bằng hạt Polycaprolactone: a) Hình dạng hạt micro và b) biểu đồ quá trình nhả thuốc 30

Hinh 1.14 Ảnh SEM của hạt micro a) PCL mang thuốc PTX và b) PLGA mang thuốc PTX, c) biểu đồ quá trình nhả thuốc Paclitaxel của hạt PCL (S1- dung dịch 6% PCL), PGLA (S3- dung dịch 6%kl PLGA và S2,S4-dung dịch 8%kl PLGA) 31

Hinh 1.15 a) Ảnh SEM của hạt PCL mang hormone β-oestradiol và b) Biểu đồ giải phóng β-oestradiol của các hạt PCL 32

Hinh 1.16 a) Mô phỏng quá trình tạo hệ vận chuyển thuốc trên cơ sở kết hợp hydrogel và hạt cầu Alginate, b) Biểu đồ so sánh kết quả nhả thuốc của từng hệ riêng biệt và hệ kết hợp hydrogel/hạt 34

Hinh 1.17 a) Ảnh SEM của hydrogel alginate chứa hạt cầu PLGA/PTX và b) Biểu đồ nhả thuốc của hạt PLGA/PTX và hydrogel alginate chứa hạt này 34

Hinh 1.18 a) Mô hình hydrogel pentablock OS-b-PCL-b-PEG-b-PCL-b-OS (PEG1750) chứa hạt nano insulin-chitosan b) Đồ thị giải phóng insulin theo thời gian của hệ

vật liệu 35

Hinh 2.1 Quy trình tạo hạt micro In-PCL bằng phương pháp electrospray 44

Hinh 2.2 Mô hình chế tạo hạt micro PCL/ In-PCL bằng phương pháp electrospray 45

Hinh 2.3 Quy trình tổng hợp triblock PCL-PEG-PCL 47

Hinh 2.4 Quy trình tổng hợp m-serin 49

Hinh 2.5 Quy trình tổng hợp pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS 51

Hinh 2.6 Quy trình chế tạo hệ hạt micro PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS 53

Hinh 2.7 Quy trình khảo sát sự chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy nhiệt/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS 54

Hinh 2.8 Sự chuyển pha của hydrogel nhạy nhiệt/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS 55

Hinh 2.9 Quy trình khảo sát sự chuyển pha sol-gel của hạt micro PCL/hydrogel 56

Hinh 2.10 Quy trình thử nghiệm sự hình thành và phân hủy của khối gel trong in-vivo .57

Hinh 2.11 Quy trình thí nghiệm nhả thuốc trong môi trường in-vitro của hệ hạt In-PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS 59

Hinh 3.1 Ảnh SEM của hạt PCL sử dụng hệ dung môi khác nhau a) trong C1D3 (Chloroform: DMF = 1:3), b) D1C3 (DMF: chloroform = 1:3), c) chloroform (1%kl PCL, 20G, 18 kV, 15 cm, lưu lượng 1 ml/h) 64

Hinh 3.2 Ảnh SEM của hạt PCL sử dụng dung môi khác nhau: a) DCM, b) chloroform (4%kl PCL, 20G, khoảng cách phun 15 cm, lưu lượng 1 ml/h, 18 kV) 65

Hinh 3.3 Ảnh SEM của hạt PCL sử dụng chloroform với khoảng cách phun a) 15cm và b) 22,5cm, c) DCM với khoảng cách phun 20 cm (4%kl PCL, 1 ml/h, 15 kV) .66

Hinh 3.4 Ảnh SEM của hạt micro PCL ở nồng độ %kl polymer khác nhau a) 3,5%, b) 4%, c) 4,5%, d) 5% (18 kV, 20 cm, 20G, 1,0 ml/h, DCM) 67

Hinh 3.5 Các chế độ phun electrospray khác nhau 68

Hinh 3.6 Các chế độ phun electrospray ở các điện thế khác nhau: a) 12kV, b) 15kV, c) 18kV và d) 24 kV (20G, 4,5%kl PCL trong DCM) 69

Hinh 3.7 Ảnh SEM của hạt PCL ở các lưu lượng phun a) 0,5 ml/h, b) 1 ml/h, c) 1,5ml/h, d) 2 ml/h và e) 4 ml/h và f) biểu đồ sự thay đổi đường kính hạt PCL theo lưu lượng phun 71

Hinh 3.8 Ảnh SEM của hạt PCL và biểu đồ phân bố kích thước hạt ở các điện thế (a,d)

15 kV, (b,e) 18 kV và (c,f) 24 kV (20 cm, 1,5 ml/h, 20G, 4,5%kl PCL, DCM) 73Hinh 3.9 Ảnh SEM của hạt PCL và biểu đồ phân bố kích thước hạt ở các khoảng cáchkhác nhau: (a,d) 15 cm, (b,e) 20 cm, và (c,f) 25 cm (18 kV, 1,5 ml/h, 20G, 4,5%PCL trong DCM) 75Hinh 3.10 Ảnh SEM của hạt micro PCL ở các nồng độ %kl PCL khác nhau 4,5%,4,75% và 5% với lưu lượng phun (a, b, c) 1,0 ml/h và (d, e, f) 1,2 ml/h 77Hinh 3.11 Ảnh SEM (a, b, c) và đồ thị phân bố kích thước hạt (d, e, f) của hạt microIn-PCL với các lưu lượng phun khác nhau 0,8 ml/h, 1 ml/h và 1,2 ml/h (18 kV,

20 cm, 4,75%kl PCL, DCM, Mn= 80.000 g/mol) 79Hinh 3.12 Ảnh SEM (a, b) và đồ thị phân bố kích thước hạt (c, d) của hạt micro In-PCL ở điện thế khác nhau, 18 kV và 24 kV (20 cm, 1 ml/h, 4,75 %kl PCL) 80Hinh 3.13 Ảnh SEM (a, b, c) và đồ thị phân bố kích thước hạt (d, e, f) của hạt microIn-PCL với các khoảng cách phun khác nhau (18 kV, 1,0 ml/h, 4,75%kl) 81Hinh 3.14 Ảnh SEM của hạt PCL a) 9%kl PCL, lưu lượng 0,7 ml/h; b) 9,25%kl PCL,lưu lượng 0,7 ml/h, c) 9,25%kl PCL, lưu lượng 0,9 ml/h (Mn= 45.000 g/mol,20%kl insulin, DCM, 18 kV, 22,5 cm) 82Hinh 3.15 SEM của hạt In-PCL ở các nồng độ %kl insulin khác nhau: a) 0%, b) 20%(Mn= 80.000 g/mol, 1 ml/h, 18 kV, 22,5 cm, 4,75% PCL, DCM) 83Hinh 3.16 Ảnh SEM của hạt In-PCL ở các nồng độ insulin (%kl) khác nhau: a) 0%, b)20% và c) 25% (Mn= 45.000 g/mol, 0,7 ml/h, 18 kV, 22,5 cm, 9%kl PCL, DCM) 84Hinh 3.17 Ảnh SEM của hạt micro PCL a) mẫu A, b) mẫu B và c) mẫu C 85Hinh 3.18 Biểu đồ phân bố kích thước hạt của a) mẫu A và b) mẫu C 86Hinh 3.19 Ảnh SEM của hạt PCL thử nghiệm in vitro (a, c) mẫu C, mẫu B (b, d) trong

0 ngày và 60 ngày 87Hinh 3.20 Ảnh hưởng hình thái hạt electrosprayed PCL lên sự giảm Mn của PCL theothời gian trong môi trường in-vitro 87Hinh 3.21 Ảnh SEM của hạt micro PCL thử nghiệm in-vitro ở các khoản thời giankhác nhau 51 ngày và 60 ngày, mẫu A (a,b và c); mẫu C (d,e và f) 88Hinh 3.22 Ảnh hưởng kích thước hạt electrosprayed lên sự giảm Mncủa PCL theo thờigian trong môi trường in-vitro 89Hinh 3.23 Ảnh SEM và đồ thị phân bố kích thước hạt PCL loại có Mn= 45.000 g/mol(9,25%kl PCL trong DCM, 18 kV, 25 cm, 0,7 ml/h) 90

Hinh 3.24 Ảnh hưởng của loại PCL lên sự giảm Mn của PCL trong môi trường in-vitro

91

Hinh 3.25 Phổ FTIR của a) mẫu hạt nhựa PCL, b) mẫu hạt micro PCL và c) mẫu hạt micro PCL sau khi thử nghiệm phân hủy 70 ngày trong in-vitro 92

Hinh 3.26 Phổ FTIR của PCL nguyên liệu ( Mn= 80.000 g/ mol) và PCL sau khi chế tạo bằng phương pháp electrospray 94

Hinh 3.27 Khả năng sống của tế bào ở các nồng độ hạt micro In-PCL khác nhau 95

Hinh 3.28 Phổ H1NMR của m-serin trong dung môi DMSO 96

Hinh 3.29 Phổ H1NMR của triblock PCL-PEG-PCL trong dung môi chloroform 97

Hinh 3.30 Phổ H1NMR của pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS 98

Hinh 3.31 Đồ thị ghép phổ GPC của mẫu triblock PCL-PEG-PCL và pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS 99

Hinh 3.32 Các trạng thái chuyển pha a) sol, b) gel, c) semicondition và d) Đồ thị chuyển pha sol-gel của hydrogel 28%kl pentablock trong PBS 101

Hinh 3.33 Đồ thị chuyển pha sol-gel của hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS ở các nồng độ Copolymer khác nhau trong PBS 101

Hinh 3.34 Khả năng sống của tế bào ở các nồng độ copolymer khác nhau 103

Hinh 3.35 Thử nghiệm sự hình thành và phân hủy khối gel trên cơ thể chuột của hydrogel 28%kl pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS 104

Hinh 3.36 Đồ thị thay đổi khối lượng gel theo thời gian trên cơ thể chuột của hydrogel 28%kl pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS (n=2) 105

Hinh 3.37 Hydrogel 25%kl và 28%kl copolymer OS-PCL-PEG-PCL-OS trong PBS có chứa hạt PCL (15 mg hạt PCL/1 ml PBS) 107

Hinh 3.38 Đồ thị chuyển pha sol-gel của hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS và hệ hạt micro PCL/hydrogel (hydrogel 28%kl copolymer, 15 mg/1 ml PBS) 108

Hinh 3.39 Thử nghiệm sự hình thành và phân hủy khối gel trên cơ thể chuột của hệ vật liệu hạt micro PCL và hydrogel 28%kl pentablock (15 mg hạt PCL/1 ml hydrogel) .109

Hinh 3.40 Đồ thị thay đổi khối lượng gel theo thời gian trên cơ thể chuột của hệ vật liệu hạt micro PCL/ hydrogel 28%kl pentablock OS-PCL-PEG-PCL-OS (15 mg hạt PCL/1 ml hydrogel) 109

Hinh 3.41 Ảnh SEM của mẫu complex gel: hạt micro PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS (28%kl copolymer; 15 mg hạt PCL/1 ml hydrogel) 110

Hinh 3.42 Sắc ký đồ RP-HPLC của a) dung dịch insulin chuẩn và b) dung dịch insulinchiết ra từ hạt insulin-PCL ở nồng độ 200 ppm 111Hinh 3.43 Đường chuẩn của insulin trong dung dịch PBS ở các nồng độ từ 5 ppm đến

200 ppm (ở pH 7,4) 112Hinh 3.44 Đồ thị giải phóng thuốc insulin từ hạt micro In-PCL 114Hinh 3.45 Đồ thị giải phóng thuốc insulin từ hệ hạt micro In-PCL/hydrogel với cácnồng độ thuốc khác nhau 115Hinh 3.46 Đồ thị giải phóng thuốc insulin từ hạt In-PCL và hệ hạt In-PCL /hydrogel: a)chứa hạt 25In-PCL và b) chứa hạt 20In-PCL 116

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số ứng dụng của hydrogel trong vận chuyển thuốc 22

Bang 1.2 Thiết kế thử nghiệm phân hủy của polymer trong môi trường in-vitro 36

Bang 1.3 Các phương pháp định tính và định lượng insulin bằng HPLC 39

Bang 2.1 Nguyên vật liệu sử dụng trong nghiên cứu 41

Bang 2.2 Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 42

Bang 2.3 Tỉ lệ các chất tham gia phản ứng tổng hợp pentablock 50

Bang 2.4 Thiết kế các mẫu thử nghiệm giải phóng thuốc insulin 58

Bang 3.1 Khả năng hòa tan PCL của dung môi 63

Bang 3.2 Tính chất vật lý của dung môi 64

Bang 3.3 Đường kính trung bình và độ lệch chuẩn của hạt electrosprayed PCL ở các thông số chế tạo khác nhau 72

Bang 3.4 Các mẫu hạt PCL thử nghiệm phân hủy trong môi trường in-vitro 85

Bang 3.5 Trọng lượng phân tử trung bình và PDI của PCL-PEG-PCL và pentablock OS- PCL-PEG-PCL-OS đo bằng phương pháp sắc ký gel 100

phẩm

H1NMR Proton nuclear magnetic resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân

IDF International Diabetes Federation Tổ chức đái tháo đường quốc tế

Mn Number average molecular weight Khối lượng phân tử trung bình số

MTT

3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazoliumbromid

Mw Weight average molecular weight Khối lượng phân tử trung bình

khối

PCL-PEG-PCL

Polycaprolactone - polyethyleneglycol- polycaprolactone

PCLA Poly(caprolactone-co-D,L-lactide)

PLGA Poly (lactic-co-glycolic acid)

PNIPAAm Poly (N-isopropyl acrylamide),

người

VEGF Novel vascular endothelial growth

factor

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề và ý tưởng khoa học

Tính đến năm 2019, số lượng người bệnh tiểu đường trên thế giới xấp xỉ 436 triệu,chiếm 9,3% dân số thế giới Đây là căn bệnh có nguy cơ tử vong cao, có hơn 4,2 triệungười tử vong trong năm 2019 (theo tổ chức đái tháo đường quốc tế (IDF)) [1] Do đó,việc điều trị căn bệnh này rất cấp bách và được các nhà khoa học quan tâm Dượcphẩm phổ biến và hiệu quả nhất sử dụng để điều trị bệnh tiểu đường là insulin Việc sửdụng insulin sẽ giúp bổ sung nguồn insulin cần thiết cho cơ thể mà người mắc bệnhđái tháo đường không thể tự tiết ra Các phương pháp được sử dụng để đưa insulin vào

cơ thể bao gồm: uống, hít, qua phổi, tiêm và thẩm thấu qua da [2] Đối với người bệnhtiểu đường nặng, phương pháp tiêm định kỳ insulin vào cơ thể là phương pháp nhanhnhất để hạ và ổn định đường huyết Tuy nhiên phương pháp tiêm insulin truyền thống

có hạn chế là khả năng duy trì nồng độ insulin trong vùng điều trị kém Khi mới đượctiêm, nồng độ insulin quá cao có thể gây ra triệu chứng hạ đường huyết gây nguy hiểmđến người bệnh Sau một thời gian, nồng độ insulin lại hạ xuống thấp hơn mức có thểđiều trị gây lãng phí thuốc, làm giảm đáng kể khả năng điều trị của thuốc Ngoài ra, sựsuy giảm nồng độ của insulin xuống dưới ngưỡng điều trị đòi hỏi một liều thuốc mới,

do đó người bệnh phải tiêm nhiều lần trong một ngày (hình 0.1) [3]

phương pháp điềutrị thông thường vớinhiều liều thuốc

_ phương pháp dẫninsulin có điều khiểnvới chỉ 1 liều thuốcHình 0.1 Đồ thị giải phóng thuốc insulin theo thời gian điều trị [3]

Để cải thiện quá trình kiểm soát hàm lượng glucose trong máu và giảm thiểu các biếnchứng của bệnh tiểu đường đòi hỏi phải có một hệ vận chuyển thuốc insulin hoạt độngnhư sự điều tiết insulin sinh lý bình thường Với từng cách thức đưa thuốc insulin vào

cơ thể, các nhà khoa học sẽ lựa chọn loại vật liệu phù hợp để phục vụ cho quá trìnhđiều trị bệnh tiểu đường và giải quyết những hạn chế của các hệ phân phối insulin đãgặp phải Các hệ vật liệu polymer mang và điều khiển quá trình nhả thuốc insulin đượcnghiên cứu gồm: màng đa lớp, micell, hydrogel, hạt nano-micro và hệ vật liệu kết hợpgiữa các loại vật liệu này [2, 4-11] Tuy nhiên các loại vật liệu mang thuốc insulin nhưmàng đa lớp nhạy glucose, micelle có hạn chế là khả năng giữ thuốc và tải thuốcinsulin của hệ không cao dẫn đến gây lãng phí thuốc, khó kiểm soát được hàm lượnginsulin đưa vào và giải phóng ra do phụ thuộc vào cấu trúc của polymer (đối với màng

đa lớp) hoặc phụ thuộc vào tính lưỡng phân cực (micelle) [5, 6, 12]

Trong khi đó hydrogel nhạy nhiệt, hydrogel nhạy nhiệt/pH có các nhược điểm như:việc nhả thuốc vào vị trí có mầm bệnh không đầy đủ theo phác đồ điều trị và khó kiểmsoát; vẫn còn hiện tượng bùng phát thuốc ban đầu, sự kém đa dạng trong lựa chọn loạipolymer và thuốc [2, 8, 9, 13] Chính vì lý do đó hiện nay các nhà khoa học đangnghiên cứu cải thiện bằng cách sử dụng hạt nano-micro polymer có khả năng mangthuốc Chúng có các ưu điểm so với các hệ vận chuyển thuốc khác như: sự bùng phátthuốc ban đầu thấp, thời gian ngậm và nhả thuốc kéo dài gần bằng với thời gian phânhủy của polymer tạo ra hạt; tạo được hạt có kích thước nano-micro Hạt nano-micropolymer được tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương phun-sấy khô, lắng

tụ, và electrospray [2, 8]

Phương pháp electrospray có các ưu điểm so với các phương pháp tạo hạt polymerkhác như: đơn giản, dễ chế tạo hạt có kích thước nano-micro; khả năng mang thuốccao; dễ kiểm soát nồng độ thuốc trong hạt; dễ dàng kết hợp được với các loại thuốc ưanước hoặc thuốc kỵ nước [11, 14-16] Tuy nhiên khi ứng dụng làm hệ vận chuyểnthuốc trị bệnh tiểu đường có một số nhược điểm sau: chỉ thích hợp với loại thuốc uốngkhông bị phân hủy khi tiếp xúc với pH thấp (pH 1,2-3) trong dạ dày Trong khi đóinsulin kém ổn định và dễ bị phân hủy trong môi trường pH thấp [14]; khó khăn khi

sử dụng, thường thì phải phẫu thuật để cấy dưới lớp mô/ tế bào bị bệnh, có nguy cơ vết

mổ lớn gây đau đớn và nhiễm trùng cao cho bệnh nhân [17]

Hạt nano-micro electrospray chứa thuốc insulin vẫn chưa được ứng dụng trong điều trịbệnh tiểu đường bằng phương pháp tiêm Có thể lý giải là do chúng có tính solvat thấpnên bị kết tụ, lắng khi tiêm insulin vào cơ thể Chỉ khi kết hợp hydrogel thì hạt nano-micro polymer mới đưa được vào cơ thể qua đường tiêm, tăng khả năng giữ thuốc vàkéo dài hơn nữa thời gian giải phóng thuốc, khắc phục được sự bùng phát thuốc banđầu Trong nhiều nghiên cứu, hydrogel và hạt nano-micro polymer đã được kết hợp đểtăng khả năng mang thuốc, giảm thiểu hiện tượng bùng phát thuốc ban đầu và kéo dàihơn nữa thời gian giải phóng thuốc Tuy nhiên, hạt nano-micro polymer chủ yếu đượctạo thành từ phương pháp nhũ tương-bay hơi dung môi hoặc phương pháp phun-bayhơi dung môi và chúng có nhược điểm là rất khó kiểm soát nồng độ thuốc được mangtrong hạt [18-23]

Ý tưởng đưa ra là kết hợp 2 loại vật liệu hạt electrospray micro polymer và hydrogel

để tạo một loại vật liệu mang thuốc có thể tiêm được và kéo dài thời gian điều trị chomỗi liều tiêm thuốc Hệ vật liệu này sẽ tận dụng được những ưu điểm và hạn chế cácnhược điểm của hạt micro electrospray polymer và hydrogel Hạt micro PCL mangthuốc insulin sẽ được chế tạo bằng phương pháp electrospray, sau đó phối trộn vớihydrogel nhạy nhiệt/pH tạo thành 1 hệ vật liệu (complex)

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu hệ vận chuyển thuốc insulin trên cơ sở kết hợp hạt micro electrospray PCL

và hydrogel nhạy nhiệt/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS nhằm mục đích kéo dài thời giangiải phóng thuốc insulin vào cơ thể và thời gian điều trị cho mỗi liều tiêm, phục vụchữa bệnh tiểu đường

Nội dung nghiên cứu

1 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các thông số chế tạo phương pháp electrospray lênhình thái và kích thước hạt micro PCL và hạt micro In-PCL

2 Đánh giá khả năng phân hủy của hạt micro PCL trong môi trường in-vitro, độc tính

và tính tương thích sinh học của hạt PCL lên tế bào sống

3 Chế tạo hạt micro PCL mang thuốc insulin bằng phương pháp electrospray với hàmlượng thuốc 20 - 25%kl.

4 Tổng hợp và đánh giá cấu trúc copolymer OS-PCL-PEG-PCL-OS Nghiên cứu khảnăng chuyển trạng thái sol-gel của hydrogel copolymer trong in-vitro Nghiên cứu khảnăng hình thành và phân hủy khối gel trên chuột

5 Chế tạo hệ vật liệu kết hợp hạt electrospray In-PCL và hydrogel PCL-OS Nghiên cứu sự chuyển trạng thái sol-gel của hệ vật liệu trong in-vitro Khảnăng hình thành và phân hủy khối gel của hệ trên chuột

OS-PCL-PEG-6 Nghiên cứu quá trình mang thuốc và nhả thuốc insulin của hạt micro In-PCL và hệhạt micro In-PCL/hydrogel OS-PCL-PEG-PCL-OS trong môi trường in-vitro

Ý nghĩa khoa học

Đề tài đã đóng góp về lý luận trong việc tạo ra hệ vận chuyển thuốc chữa bệnh tiểuđường có thể tiêm được kết hợp hạt micro electrospray PCL mang thuốc insulin vàhydrogel nhạy nhiệt độ/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS nhằm mang lại hiệu quả tác dụngcủa thuốc Lý luận về khả năng kéo dài thời gian lưu trữ thuốc bằng phương pháp tạo

ra nhiều rào cản nhằm hạn chế quá trình phân tán thuốc từ hệ vật liệu hạt micropolymer/ hydrogel bằng cơ chế khuếch tán và phân hủy vật liệu Hệ vật liệu hạt microIn-PCL và hydrogel nhạy nhiệt độ/pH OS-PCL-PEG-PCL-OS là hướng nghiên cứu mới,vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và áp dụng trên thế giới

Ý nghĩa thực tiễn

Luận án đã chế tạo được hệ vật liệu vận chuyển thuốc insulin từ hạt micro PCL vàhydrogel nhạy nhiệt/pH giúp kéo dài thời gian điều trị của mỗi liều tiêm thuốc và giảmcác tác dụng phụ của dược phẩm do liều sử dụng vượt ngưỡng điều trị và phải tiêmnhiều lần Các kết quả của luận án cho thấy khả năng ứng dụng của hệ vật liệu này làrất cao trong tương lai khi tiếp tục các bước nghiên cứu thử nghiệm động vật và lâmsàng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Hạt nano-micro polymer

1.1.1 Tổng quan về hạt nano-micro polymer

Hạt nano-micro polymer được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như:phương pháp nhũ tương, phun kết hợp bay hơi dung môi, phương pháp lắng đọng- sấykhô và electrospray Trong đó phương pháp nhũ tương tạo được các hạt cầu có kíchthước nano, tuy nhiên quá trình tạo hạt phải sử dụng các chất hoạt động bề mặt và khithu hạt gặp nhiều khó khăn như cấu trúc micelle bị phá vỡ, hiệu quả mang thuốc thấp.Phương pháp này bị hạn chế vì áp dụng được với một số loại polymer và khó đánh giákhả năng mang thuốc và hiệu quả tải thuốc của micelle Để giải quyết các khiếmkhuyết của loại vật liệu micelle là hiện tượng bùng phát thuốc trong thời gian đầu vẫncòn cao, khó kiểm soát nồng độ thuốc trong vật liệu, sự kém đa dạng trong lựa chọnvật liệu và thuốc, phương pháp electrospray là 1 lựa chọn hàng đầu để chế tạo hạtmicro PCL Phương pháp này có ưu điểm vượt trội là dễ chế tạo, hiệu quả mang thuốccao, kéo dài thời gian mang thuốc và nhả thuốc, có thể kết hợp được cả thuốc ưa nước

và kỵ nước [2, 24]

1.1.2 Nguyên lý của phương pháp electrospray chế tạo hạt nano-micro polymer

Máy bơm điện động

Nón Taylor

Giọt dung dịch tích điện

Hình 1.1 Công nghệ electrospraying để chế tạo hạt nano-micro polymer [25]

Phương pháp electrospray là một phương pháp phun tĩnh điện khi áp một điện thế caovào giữa đầu kim (cực dương) và bản thu mẫu (cực âm) Nhờ vào lực điện trường tạo

ra giữa 2 điện cực, khi lực này lớn hơn sức căng bề mặt của giọt dung dịch polymer,giọt sẽ bay từ đầu kim sang bản thu mẫu Trong quá trình bay đến điện cực, lực đẩyCoulomb tách giọt dung dịch polymer thành các hạt dung dịch nhỏ, đồng thời dungmôi trong các hạt này bay hơi, dẫn đến là trên bản cực thu mẫu hình thành các hạt rắnpolymer (hoặc hạt polymer có thuốc) ở kích thước nano-micro (Hình 1.1) [25]

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái, và kích thước hạt electrospray polymer

1.1.3.1 Loại polymer

Hiện nay, polymer tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học phổ biến nhất được sửdụng trong lĩnh vực phân phối thuốc và cũng thường được sử dụng nhất trong phươngpháp electrospray là PLGA Polyester này được sự chấp thuận của tổ chức thực phẩm

và thuốc (FDA) và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế (chỉ khâu, ghép, bộ phậngiả) và các hệ phân phối thuốc PLGA giảm cấp chủ yếu là thông qua quá trình thủyphân, sản phẩm phân hủy là lactic và axit glycolic, sau đó chúng được làm tiêu biếnbằng con đường chuyển hóa sinh học Tuy nhiên, quá trình thủy phân PLGA tạo ra cácthành phần có tính axit, có thể gây viêm mô và làm phát sinh các vấn đề ổn định lâudài khi bao bọc các phân tử hoạt tính sinh học PLA có đặc tính tương tự như PLGAnhưng chúng có cấu trúc tinh thể hơn nhờ vậy làm cho quá trình giảm cấp chậm hơn.Các nghiên cứu đã chọn PLA tinh khiết hơn là chọn các copolymer PLGA cho chế tạohạt electrospray đơn trục Trong chế tạo hạt electrospray đồng trục, bằng cách chọnmột vật liệu lõi (PLA) giảm cấp chậm hơn so với vật liệu vỏ (PLGA) để đảm bảo rằngcác loại thuốc trong lõi không được giải phóng ra sớm [26]

PCL là một loại polyester có khả năng phân hủy sinh học được quan tâm dùng trong

hệ phân phối thuốc và cũng đã được sử dụng trong phương pháp electrospray So vớiPLGA và PLA, PCL là polymer bán tinh thể với nhiệt độ nóng chảy khoảng 60oC vànhiệt độ chuyển thủy tinh khoảng -60oC (so với 40-65oC cho PLGA/PLA) tạo tính đànnhớt vượt trội và dễ dàng định hình [27] PCL được FDA cho phép sử dụng trong ydược học và là hạt cầu nano-micro bao bọc được các loại thuốc khác nhau vì PCL cókhả năng thấm cao đến các phân tử thuốc nhỏ Do độ kết tinh và nồng độ ester thấp

hơn, PCL có thuận lợi là tạo ra môi trường ít tính acid hơn, phát sinh trong quá trìnhphân hủy so với PGLA Tuy nhiên, tính kỵ nước cao của PCL vẫn còn là mối quan tâmtrong chế tạo hệ bọc các chất ưa nước như peptides, các enzyme và các protein khác[27-29].

Mặc dù tất cả các polyester phân hủy sinh học nói trên, bao gồm PLGA, PLA và PCL,trong thập kỷ qua đã thu hút nhiều nghiên cứu về vật liệu mang thuốc và phân phốithuốc, đặc biệt liên quan đến sự chậm phân hủy và tính kỵ nước (trong trường hợp củaPCL), và phát sinh môi trường acid (trong trường hợp PLA và PGLA) dẫn đến sự bất

ổn, kết tụ và sự thay đổi cấu trúc của thuốc/ protein được mang trong hạt micro [30]

Dung môi với áp suất hơi thấp (nhiệt độ sôi cao) sẽ khó hóa hơi hơn so với dung môi

có áp suất hơi cao (nhiệt độ sôi thấp) và do đó bay hơi ít hơn Tác động của dung môiđến hình dạng và kích thước hạt được cho rằng: với sự tăng nhiệt độ sôi tương ứng vớiviệc giảm độ bay hơi, hạt hình thành có kích thước nhỏ hơn và bề mặt sẽ nhẵn hơn,điều này thu được khi sử dụng dung môi có nhiệt độ sôi cao trên 140oC (như là DMF,

152oC) Kích thước hạt thu được sẽ lớn hơn và bề mặt hạt xù xì hơn khi sử dụng dungmôi có nhiệt độ sôi thấp như chloroform (61oC), DCM (40oC) Vì sự bay hơi nhanhcủa dung môi, có ít thời gian để các chuỗi polymer co lại và sắp xếp lại trong các giọtnhỏ đang bay hơi đặt trong điện trường Sự bay hơi nhanh hơn còn dẫn đến các lỗ trênhạt và tạo ra những hạt rỗng [28, 31] Bên cạnh đó, độ bay hơi dung môi ảnh hưởngđến quá trình khô của hạt và hình thái sản phẩm thu được Với dung môi bay hơi chậm,khi đến bản thu mẫu, các giọt chất lỏng mang điện tích vẫn còn nhiều dung môi điềunày dẫn đến các hạt hình thành trên bản thu mẫu sẽ kết dính lại với nhau Với dung

môi bay hơi quá nhanh có thể chưa kịp hình thành hạt, dễ tạo thành những hình tháibất thường (Hình 1.2) [31].

Hình 1.2 Sự thay đổi hình thái hạt polystyrene theo nhiệt độ sôi của dung môi [31]Ngoài yếu tố tốc độ bay hơi thì độ dẫn điện của dung môi cũng là một trong nhữngthông số vật lý cần được quan tâm Vì electrospray phụ thuộc vào lực hút tĩnh điện củacác hạt mang điện với đầu thu nhận tích điện trái dấu, nên độ dẫn điện (K) củapolymer và dung môi là một thông số quan trọng khi tối ưu hóa quy trình Cùng vớilưu lượng, độ dẫn điện cũng là cách thức để kiểm soát kích thước hạt electrospray, với

độ dẫn càng cao thì kích thước hạt càng giảm [32] Khi sử dụng dung môi có độ dẫnđiện cao thì lực Coulomb cũng tăng, điều này làm cho quá trình phân tách các giọtchất lỏng mang điện tích diễn ra nhiều hơn và kích thước hạt sẽ nhỏ hơn Khi độ dẫnđiện của dung môi cao thì đường kính trung bình của hạt nhỏ hơn Để thay đổi độ dẫnđiện thì có thể thay đổi dung môi electrospray hoặc dùng hệ dung môi, nhưng trườnghợp dùng hệ dung môi có thể ảnh hưởng xấu đến phân bố kích thước và hình thái củahạt [33, 34] Dung môi hữu cơ thì ít dẫn điện hơn nước và độ dẫn điện của nó có thểtăng lên khi bổ sung các chất điện giải, như DTAB Ví dụ độ dẫn điện của dung dịchPLGA 5 %kl trong acetonitrile chứa 10 % PTX (kl/kl) tăng từ 0,51 uS/cm đến 116,5uS/cm khi cho thêm 2 mM DTAB Việc này làm giảm kích thước hạt từ 1,2 µm đến

355 nm Khi muốn thu được các hạt ở có kích thước nano, thì cần tăng độ dẫn điện đểgiảm kích thước hạt, nhưng phải kiểm soát độ nhớt sao cho lực làm rối chuỗi cao hơn

so với lực Coulomb, và tránh sinh ra các giọt con Lưu lượng phun cao hơn có thểđược sử dụng để sản xuất ra các hạt nano nếu tăng độ dẫn dung dịch bằng cách tăngnồng độ muối [35]

Ngoài ra, do lực chống lại lực hút tĩnh điện giữa đầu kim và bản thu mẫu là sức căng

bề mặt của dung dịch polymer nên yếu tố này quyết định nhiều đến chế độ phun trongphương pháp electrospray Sức căng bề mặt càng thấp thì lực điện trường dễ dàngthắng sức căng bề mặt, gây nên chế độ phun nhiều tia hoặc tia không có nón Taylor.Trong trường hợp sức căng bề mặt quá lớn thì lực điện trường không đủ để thắng sứccăng bề mặt nên dễ xảy ra chế độ phun nhỏ giọt hoặc khô đầu kim Một điều phải chú

ý là tùy thuộc vào mỗi loại polymer mà chúng có những tương tác khác nhau đối vớimỗi loại dung môi Tác động của dung môi đến những chuỗi rối và hình thái cuối cùngcủa hạt thu được là khác nhau đối với loại polymer khác nhau Nồng độ và khối lượngphân tử cũng ảnh hưởng rất nhiều đến tương tác giữa dung môi và polymer [36]

1.1.3.3 Nồng độ dung dịch polymer và M w của polymer

Khi tiến hành Electropspray dung dịch polymer, các giọt polymer trải qua quá trìnhbay hơi dung môi và khuếch tán đồng thời Các chuỗi rối hình thành trong quá trình vàquyết định đến hình thái cuối cùng của hạt Sự đồng đều và kích thước hạt nhỏ hơn khigiới hạn được sự làm rối chuỗi polymer Số lượng rối trên một chuỗi trong dung dịch,(ne)sol, được tính toán thông công thức: ( )e sol w

e

M n

và tối ưu hóa quá trình thực hiện Nồng độ che phủ chuỗi tới hạn Cov, được biết làđiểm mà khi nồng độ dung dịch bằng với nồng độ bên trong bán kính tròn của mỗichuỗi polymer đơn lẻ và tỷ lệ với độ nhớt thực của polymer (η): C 1

[ ]

o v   Khi nồng

độ polymer trong dung dịch C nhỏ hơn Cov, không có sự chồng chéo của chuỗipolymer và không có sự rối chuỗi và chế độ này được gọi là chế độ pha loãng (diluteregime) (Hình 1.3a) Khi C > Cov, nồng độ polymer trong dung dịch đủ lớn để cácmạch polymer có thể chồng chéo lên nhau nhưng chưa đủ để có thể hình thành cácchuỗi rối Chế độ này được gọi là bán loãng không rối chuỗi (semi-dilute unentangledregime) Một vài chuỗi rối được quan sát thấy mặc dù không mong muốn tuy vậy hạtvẫn có khả năng bị biến dạng trong suốt quá trình bay hơi dung môi, dẫn đến hình tháihạt xấu và không lặp lại (Hình 1.3b) Chế độ này được sử dụng để sản xuất các màngphim mỏng hoặc hệ vận chuyển thuốc dùng để chữa trị hóa học [37].

Hình 1.3 Ảnh hưởng của nồng độ polymer đến hình thái hạt thu được bằng phương

pháp electrospray tương ứng với các chế độ khác nhau [37]

Để có thể tạo thành các hạt bằng phương pháp electrospray, chế độ được chọn là chế

độ bán loãng có rối chuỗi (semi-dilute moderately entangled regime) Nó xảy ra khi

Cent, là nồng độ mà chế độ “bán loãng không rối chuỗi” chuyển qua chế độ “bán loãng

có rối chuỗi”, nơi mà sự rối chuỗi được quan sát thấy và dày đặc, lúc này các hạt cầurắn được hình thành và có khả năng lặp lại (Hình 1.3c) Tuy nhiên khi nồng độpolymer trong dung dịch C> 3Cov, lực liên kết giữa các phân tử polymer trở nên quálớn để thực hiện quá trình electrospray, các sợi đính hạt và sợi electrospun hình thành,tương ứng với chế độ bán loãng nhiều rối chuỗi (semi-dilute highly entangled) (Hình1.3d) Để tối ưu hóa quá trình tạo hạt bằng phương pháp electrospray, nồng độ tốithiểu cần thiết phải lớn hơn Cent, nhưng không vượt quá 3Cov Mw và độ đa phân tán(PDI) của polymer cũng ảnh hưởng rất nhiều đến C vì sự khác biệt về độ nhớt thực

của polymer Sự tăng Mw dẫn đến việc giảm tỷ lệ C/Cov và làm hẹp khoảng chế độ

“bán loãng có rối chuỗi” và do đó làm hẹp lại khoảng nồng độ có thể cho quá trìnhelectrospray Bên cạnh đó, với độ đa phân tán lớn hơn, tỷ lệ C/Cov để đạt được chế độ

“bán loãng nhiều rối chuỗi” cao hơn 3, làm rộng khoảng làm việc của chế độ “bánloãng có rối chuỗi” phương pháp electrospray có thể đạt được [37]

Hình 1.4 Minh họa ảnh hưởng của Mwđến hình thái hạt thu được bằng phương pháp

electrospray với polymer có Mwthấp (LM) và Mwcao (HM) [34]

Polymer có Mw nhỏ thì có số lượng chuỗi rối trong dung dịch ít hơn polymer có Mwlớn khi sử dụng cùng nồng độ polymer Điều này được giải thích là với mạch polymerdài thì xác xuất các mạch phân tử chồng chéo lên nhau sẽ cao hơn polymer mạch ngắn

Do vậy, phải sử dụng nồng độ polymer cao đối với các polymer có Mwthấp để tăng sốlượng rối chuỗi (Hình 1.4) [34]

Điều này cũng được mình chứng qua một số kết quả về hình thái của hạt electrosprayPLA và PCL Với cùng nồng độ, polymer có Mw cao tạo sợi còn polymer có Mwthấptạo hạt [38], trong khi PLA tạo dạng bán cầu rỗng khi Mwlà 80 kDa và tạo hạt khi Mw

là 180 kDa với cùng nồng độ PLA là 3 %kl [39]

1.1.3.4 Lưu lượng phun (flow rate)

Sau khi lựa chọn được dung dịch polymer thì lưu lượng phun là thông số quan trọngtiếp theo trong phương pháp electrospray có thể kiểm soát sự rối chuỗi polymer và lựcphân tán Coulomb Như vậy lưu lượng có tác động đến hình thái và kích thước của hạtnên cần phải lựa chọn một cách thận trọng vì cả hai đặc tính này sẽ ảnh hưởng đến sựphân tán thuốc trong nền polymer và ảnh hưởng đến quá trình giải phóng thuốc [40]

Thứ nhất, cần phải sử dụng lưu lượng sao cho dung môi bay hơi hoàn toàn và điều nàykhông thể đạt được khi chọn lưu lượng cao Các hạt còn chứa dung môi khi đến đầuthu nhận sẽ bị biến dạng và không đồng nhất về hình thái Thêm vào đó, lưu lượng cao

có thể gây ra việc hình thành giọt thứ cấp và giọt vệ tinh tạo nên sự đa phân tán kíchthước hạt Điều này được giải thích bởi các quá trình liên quan đến sự bay hơi dungmôi của các giọt tích điện, dựa trên φRay, phần thể tích polymer trong một giọt ở giớihạn Rayleigh, và thể hiện trong phương trình (1) Q là tốc độ dòng chất lỏng (m3s-1),cường độ dòng điện I, εairhằng số điện môi của không khí, γ sức căng bề mặt của dungdịch và d đường kính giọt sơ cấp I/Q và d có thể được xác định như là một hàm của Q

và các tính chất dung dịch polyme: im = 288 iꞠ⪞ t

( / )2 3 (1)Xem φent là tỷ lệ thể tích polymer tới hạn bị rối và φov là tỷ lệ thể tích polymer che phủchuỗi tới hạn, Almería và cộng sự chỉ ra rằng, đối với φov<φRay<φent ở chế độ bán phaloãng không rối, mạng lưới polymer có thể giữ lại một số giọt nguyên vẹn, nhưngkhông đủ mạnh để bảo vệ hạt khỏi biến dạng bởi sự kéo dài trong suốt quá trình phântán, trong khi đó những giọt được ổn định, tránh khỏi bị phá vỡ cấu trúc khi φRay> φent.Khi φRay<φov, các giọt (droplets) giống như chất lỏng tinh khiết và không có sự rốichuỗi, dẫn đến việc phun ra giọt con từ giọt sơ cấp do sự phân tán Coulomb Để cóđược hình thái cầu và cùng kích cỡ, điều quan trọng là phải có đủ sự rối chuỗi trướckhi đạt đến giới hạn Rayleigh để các giọt nhỏ không thể bị chia nhỏ bởi lực phân tánCoulomb và đảm bảo rằng φRay> φent Theo phương trình (1), lưu lượng có ảnh hưởngđáng kể đến φRay và cho thấy về hình thái của hạt PLGA rằng lưu lượng lớn dẫn đến

φRay nhỏ, tạo ra hình thái không phải dạng cầu và hình thành giọt vệ tinh và thứ cấp,trong khi nồng độ polymer cao sẽ giữ được dạng cầu của hạt [40]

Trong thực nghiệm, sự hình thành các giọt vệ tinh và giọt thứ cấp có thể được giảithích bởi hiện tượng xảy ra khi các giọt bị đẩy ra khỏi nón Taylor Ban đầu, sợi phunrất mỏng chứa 2 giọt dính nhau, nhưng sau đó nó bị tách ra bởi sự tích điện Một khi bịtách khỏi các giọt xa nhất, sợi phun trở lại giọt gần nón phun nhất để lặp lại quá trình

và thu được các hạt cùng kích cỡ Điều này được ghi nhận khi cho lưu lượng tương đốithấp sao cho φRay> φent Khi lưu lượng tăng, φRay trở nên nhỏ hơn, cuối cùng rơi vàotrường hợp φov<φRay<φent làm cho rối đủ mạnh để bảo vệ giọt nguyên vẹn Vì vậy, các

sợi không thể đạt được những giọt như cũ nữa và thay vào đó tạo thành giọt nhỏ thứcấp Khi lưu lượng cao hơn, sợi giữa hạt sơ cấp và thứ cấp có thể hình thành và không

có khả năng trở về giọt sơ cấp mà chuyển thành giọt vệ tinh (thậm chí nhỏ hơn giọt thứcấp) Nếu các dung môi có tốc độ bay hơi cao, có thể là sợi bị đông cứng, dẫn đếnkhông chỉ kích thước hạt bị đa phân tán mà còn tạo ra các hạt thuôn dài [40, 41]

1.1.3.5 Điện thế áp vào

Trong chế độ nón phun một tia, kích thước không bị ảnh hưởng đáng kể bởi điện áp.Tuy nhiên hình thái học sẽ bị thay đổi như đã công bố bởi Shenoy và cộng sự, vì khiđiện áp tăng lên, hình thái thay đổi từ các hạt hình cầu sang các hạt thuôn dài hoặc sợiđính hạt và thậm chí tạo sợi nếu nồng độ đủ cao Điều này là do nhiều điện tích hơntích tụ trên giọt khi điện áp tăng lên nên làm căng và kéo dài giọt Do đó, cần sử dụngđiện áp vừa phải để chế độ nón phun một tia nhằm duy trì hình thái dạng cầu của hạt[42, 43] Ngoài ra điện thế ảnh hưởng đến chế độ phun electrospray và điều này sẽ ảnhhưởng đáng kể đến độ phân bố kích thước hạt, và sự đồng nhất về hình thái [29, 44]

1.1.3.6 Loại đầu kim (đường kính đầu kim).

Đường kính của kim được thể hiện là gauge (G), mỗi kích thước G tương ứng với bội

số của 0,001 inch Đối với electrospray tạo hạt từ các phân tử hoạt tính sinh học,đường kính khoảng từ 18G (đường kính trong (ID) 1,27 mm) đến 29 G (ID 0,33 mm).Trước khi electrospray, kim thường được cắt ngắn thành một đầu phẳng để phun đồngnhất Đặc tính của đầu kim là quan trọng nhưng thường bị bỏ qua Kích cỡ đầu kim ítảnh hưởng đến hình thái hay kích thước của các hạt Ví dụ khi so sánh kích thước củacác hạt PCL thực hiện với 21G so với 26G thì kích thước trung bình là tương đươngcho cả hai loại đầu kim tuy nhiên độ phân bố kích thước hạt rộng hơn khi sử dụng kim

có gauge lớn hơn, phương sai khi dùng kim 21G là 3,42 và khi dùng kim 26G là 2,40.Dùng kim nhỏ hơn sẽ thu được hạt có độ phân bố kích thước hạt hẹp hơn [36]

Một kết quả tương tự cũng được quan sát thấy khi dùng kim trong khoảng 20G-26G đểtạo hạt nano chitosan chứa thuốc ampicillin, khi sử dụng kim 20G chỉ tạo hạt bị bể còn22G tạo ra một hỗn hợp hạt và hạt bị bể, trong khi kim 24G và 26G tạo hạt hình cầukhông bị bể và độ đa phân tán giảm đối với đầu kim nhỏ nhất (26G) (Hình 1.5) [45]

Hình 1.5 Ảnh hưởng của kích thước đầu kim đến hình thái hạt nano chitosan [45]

1.1.3.7 Khoảng cách giữa đầu phun và bản thu mẫu

Khoảng cách giữa đầu phun và bản thu mẫu (khoảng cách phun) nhỏ có thể không làmbay hơi dung môi hoàn toàn dẫn các hạt cầu micro bị ướt nên khi đến bản thu nhận thìhạt bị biến dạng, bị kết dính với nhau và có độ phân bố kích thước rộng [45] Khi tăngkhoảng cách thì hình thái dạng cầu tạo ra nhiều hơn vì chuỗi polymer có đủ thời gian

để khuếch tán trong các giọt và do đó cũng giảm độ đa phân tán Khi điện áp khôngđổi, giảm khoảng cách phun sẽ làm tăng độ mạnh của điện trường và làm giảm kíchthước hạt [46] Tùy thuộc vào loại dung môi sử dụng, tăng khoảng cách phun cũng cóthể gây bất lợi cho hình thái như hình dạng khối vi cầu polyacrylonitrile trong DMF ở

10 cm thì tốc độ bay hơi của DMF cho phép cầu tròn được hình thành, trong khi ở 20

cm, dạng cầu tròn bị phá vỡ thành 2 nửa rỗng và nhiều tác giả cho rằng tốc độ bay hơi

ở đây là quá mức Tuy nhiên kết quả này không được minh chứng rõ ràng trong nhữnghình ảnh cung cấp bởi các tác giả, và không có lời giải thích nào được đưa ra [47]

1.1.3.8 Chế độ phun

Các chế độ phun thay đổi theo cường độ điện trường và lưu lượng của dung dịchpolymer Cường độ điện trường là yếu tố quyết định tính đồng nhất của các mẫu thuđược và sự thay đổi cường độ điện trường làm cho chế độ phun khác nhau, bắt đầu từchế độ “dripping” chuyển sang chế độ “coning” rồi đến “stable cone-jet” khi tăng điệnthế áp vào Khi tăng tỷ lệ khoảng cách từ đầu phun đến bản thu nhận thì điện áp giảmdần Chế độ phun nón một tia ổn định (stable single cone-jet) và khá đồng nhất khicường độ điện trường ở mức trung bình 10-12kV (Hình 1.6) [29, 48, 49]

Hình 1.6 Ảnh hưởng của điện trường lên sự hình thành các chế độ phun [49]Ngược lại, khi tăng điện thế, chế độ phun nhiều tia được hình thành một cách không

ổn định, không thể đoán trước và kết quả thu được khác nhau trong mỗi lần phun Chế

độ nhiều nón phun thường không mong muốn, và khi xảy ra cần phải có vùng thu nhậnlớn được để đảm bảo hiệu suất cao của hạt, nhất là khi dùng vật liệu đắt tiền, và mongmuốn hao hụt tối thiểu Một cách để có được chế độ nón phun một tia là hạ thấp độdẫn điện và sức căng bề mặt của dung dịch Điều rất quan trọng cần lưu ý là chỉ cótrong chế độ nón phun ổn định thì mới có thể sản xuất hạt cùng kích cỡ Chỉ như thếmới có thể kiểm soát kích thước và hình thái của các hạt bằng cách thay đổi các thông

1.2.1.2 Phân loại hydrogel

Hydrogel được phân loại dựa trên các yếu tố khác nhau như khả năng phân hủy sinhhọc, cách thức liên kết ngang, nguồn gốc, điện tích ion, phương pháp chuẩn bị, tínhchất vật lý và khả năng phản ứng của hydrogel ảnh hưởng bởi các kích thích từ bênngoài [51] Cụ thể hydrogel được phân loại như sau:

 Theo thành phần polymer

+Homopolymer hydrogel: các hydrogel trong mạng lưới được cấu tạo từ một loại

monomer duy nhất Các hydrogel này phụ thuộc vào đặc điểm của monomer tự nhiên

và phương pháp trùng hợp hay đa tụ [53] Ví dụ: PEG là hydrogel có thể phản ứng vớicác điều kiện môi trường, được ứng dụng trong việc dẫn thuốc

+Copolymer hydrogel: các hydrogel cấu tạo từ hai hay nhiều loại monomer khác nhau,

trong đó có ít nhất một gốc ưa nước Ví dụ: tổng hợp triblock PEG-PCL-PEG đượcphát triển để ứng dụng trong việc dẫn thuốc nhờ cơ chế trùng hợp mở vòng của PCLvới PEG [54]

+Hydrogel từ các polymer tự nhiên: rất phong phú, như polysaccharides, pectin,

alginic acid,… polymer không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học, tương thíchsinh học và giá thành rẻ Tuy nhiên, độ bền cơ học của hydrogel rất thấp

+Hydrogel từ các polymer tổng hợp: như polyester, polyamide hay các polymer trùng

hợp mang tính chất nhạy với môi trường (nhiệt độ, pH, áp suất,…) nhưpolymethacrylic acid, poly-vinylpyridine,… Các hydrogel từ polymer tổng hợp lại có

độ bền cơ học tốt hơn nhưng giá thành cao, không có khả năng phân hủy sinh học và

dễ bị giảm cấp Do đó người ta kết hợp hai loại polymer này để cải thiện tính chất, nhờvậy có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của hydrogel [51]

 Theo bản chất khâu mạng (cross linking): trong hydrogel, các polymer liên kếtvới nhau được qua hai phương thức: liên kết vật lý và liên kết hóa học Việc tạo liênkết giúp ngăn chặn hydrogel bị hòa tan khi hấp thụ một lượng nước hay chất lỏng sinh

lý đáng kể Trong quá trình gel vật lý, bản chất quá trình khâu mạng là liên kết vật lý

Quá trình này được thể hiện qua sự liên kết giữa các nhóm kỵ nước, liên kết giữa cácchuỗi phân tử, sự kết tinh, tính chất của các chuỗi polymer và liên kết hydro [51, 54].

1.2.1.3 Các tính chất đặc trưng của hydrogel

1.2.1.3.1 Tính chất trương

Hydrogel có tính thay đổi hình dạng trương lên hay co lại khi môi trường có sự thayđổi về nhiệt độ, pH, ánh sáng,… Trương là quá trình cấu trúc hydrogel được mở rộngnhờ vào sự hấp thu nước vào khoảng trống bên trong hydrogel Bản chất của quá trìnhtrương nở là sự tương tác giữa polymer và nước Các yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ trươngcủa hydrogel bao gồm: tỉ lệ nối ngang khâu mạng, nồng độ dung môi, cấu trúc hóa họccủa polymer và tác nhân kích thích [55]

1.2.1.3.2 Tính chất cơ

Tính chất cơ của các hydrogel nhìn chung kém, tính chất cơ phụ thuộc vào mật độ nốingang có trong mạng hydrogel Nếu mật độ nối ngang cao thì hydrogel cứng, ít trươngphồng và giảm sự mềm dẻo Do vậy, cần cân đối giữa tính chất cơ và độ mềm dẻo củaHydrogel cho phù hợp với nhu cầu ứng dụng [55]

1.2.1.3.3 Tính tương thích sinh học

Các hydrogel có tính tương thích sinh học cao, không gây đông máu, có khả năng vậnchuyển các chất bổ dưởng đến tế bào và chất thải ra khỏi tế bào Chúng dễ dàng biếntính với các ligand kết dính tế bào và có khả năng phân hủy sau thời gian cần thiết,không gây hại cho cơ thể Các hydrogel có cấu trúc không gian và tính chất giống môsinh học Do vậy, các hydrogel được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong sinh học.Điều bắt buộc đối với hydrogel y sinh khi sử dụng là phải tương thích sinh học vàkhông gây độc cho tế bào vật chủ Tính tương thích sinh học được hiểu là khả năngpolymer hoạt động phù hợp với khả năng đáp ứng của cơ thể vật chủ Các polymer sửdụng cho lĩnh vực này đều phải kiểm tra độc tính trên tế bào và trong cơ thể trước đểđảm bảo không gây phản ứng nguy hiểm cho mô chủ Tính không độc hại của polymerphải được duy trì trong suốt quá trình sử dụng Tuy nhiên một số yếu tố như: chất khơimàu, chất ổn định, dung môi hữu cơ, các chất nhũ hóa, các chất nối mạng hay cácmonomer không phản ứng hết trong quá trình tổng hợp không được loại bỏ hết sẽ dẫnđến việc tăng độc tính cho tế bào vật chủ Vì thế cần loại bỏ các chất độc hại, có thể

dùng phương pháp lọc, rửa hay sấy hút chân không để đuổi dung môi trước khi sửdụng [55].

1.2.2 Hydrogel nhạy nhiệt độ

Hydrogel nhạy nhiệt thông qua biểu hiện sự chuyển trạng thái, như sự chuyển đổitrạng thái dung dịch (sol) - đông đặc (gel) (chuyển pha sol-gel) khi có sự thay đổi nhiệt

độ nhờ vào những cấu trúc kỵ nước [56] Trong các loại copolymer nhạy nhiệt thìpoly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) được sử dụng khá phổ biến Dung dịch củaPNIPAAm thay đổi đột ngột quanh nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới của nó (LCST),nhiệt độ này gần với nhiệt độ cơ thể Hydrogel này hòa tan ở nhiệt độ thấp hơn LCST(sol) và không hòa tan khi nhiệt độ cao hơn LCST (gel) [57] Hydrogel trải qua biếnđổi trái ngược như vậy là do sự cạnh tranh (chiếm ưu thế) giữa liên kết hydro (giữanước và cấu trúc ưa nước trên mạch phân tử - tương tác ưa nước) và tương tác kỵ nướctrong hydrogel Tương tác ưa nước chiếm ưu thế khi nhiệt độ thấp và kết quả là khảnăng hòa tan hay trương cao Ngược lại, khi nhiệt độ tăng thì tương tác kỵ nước chiếm

ưu thế hơn làm cho hydrogel bị co lại Copolymer khối dạng B-A-B là một trongnhững hydrogel nhạy nhiệt đặc trưng, chúng chứa các khối (block) ưa nước ở tâm(core) và các khối kỵ nước ở cuối cấu trúc Khối kỵ nước này đóng vai trò là thànhphần nhạy nhiệt, tính kỵ nước của chúng tỷ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ, khi nhiệt độcao hơn nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) của nó Do đó, chúng thể hiện đượctính tan - không tan của khối copolymer khi nhiệt độ thay đổi [57, 58]

Điều này cũng đúng với triblock PCL-PEG-PCL được sử dụng trong đề tài này Ở đây

ta chọn PCL làm khối kỵ nước do trong cấu trúc của nó vừa có mạch dài, vừa có liênkết ester nên ở nhiệt độ thường nó đã thể hiện phần nào tính kỵ nước (do có mạch dài)

và tính ưa nước (do có liên kết ester) Nhưng khi nhiệt độ tăng thì enthalpy (ΔH) củanước tăng dẫn đến làm đứt các tương tác giữa nước và nhóm ester này (liên kếthydrogen) nên làm cho tính kỵ nước của nó tăng [59]

Copolymer nhạy cảm nhiệt độ thông qua biểu hiện sự chuyển trạng thái, như sựchuyển đổi trạng thái sol-gel khi thay đổi nhiệt độ Các hydrogel polymer nhạy nhiệt

có thể phân loại thành:

 Các polymer dựa trên nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) hay nhạy nhiệt

“âm” Ví dụ: Hydroxylpropylcellulose; poly(N-acryloyl-N’-alkylpiperazine),

PNIPAAm

 Các polymer dựa trên nhiệt độ dung dịch tới hạn trên (UCST) hay nhạy nhiệt

“dương” Ví dụ: poly(acrylic acid) (PAA), polyacryamide (PAAm), những

polysaccharide như carrageenan, gellan, amylase, agarose

 Các polymer dựa trên hiệu ứng cân bằng phân tử lưỡng tính Loại polymer nàycảm ứng nhiệt độ, tạo hạt micelle trong môi trường nước và hình thành gel Ví dụ: Cáccopolymer như poly(ethylen oxit) -poly(propylene oxit) - poly(ethylene oxit) (PEO-PPO-PEO), và poly(ethylene glycol-b-L-axit lactic -co glycolide -b- ethylene glycol)(PEG-PLGA-PEG) [52, 57-59]

1.2.3 Polymer nhạy pH

Polymer nhạy pH là loại polymer có khả năng phản ứng lại sự thay đổi pH của môitrường xung quanh nó, làm thay đổi cấu trúc mạng của chúng Biểu hiện của quá trìnhnày là sự co lại (làm co khối polymer) hay giãn ra (làm trương khối polymer) củamạch polymer do tạo nên tương tác cùng cực khi có sự thay đổi pH môi trường.Những polymer nhạy pH có chứa những nhóm chức có khả năng ion hóa, chúng có thểcho hay nhận proton tùy theo pH của môi trường Khi pH môi trường thay đổi, mức độion hóa của polymer phụ thuộc vào bản chất nhóm chức, nghĩa là nhóm chức thể hiệnkhả năng ion hóa tại những điểm pH riêng biệt

Các polymer nhạy pH có nguồn gốc tự nhiên (như các loại polysaccharides (chitosan,carboxylmethyl cellulose, alginic acid), proteins (lysozyme, casein, albumin,…) haytổng hợp (polyacrylic acid, polyacrylamide,…) Khi có sự thay đổi của pH, các nhómchức trên mạch polymer bị ion hóa Có thể chia polymer nhạy pH thành hai nhómchính sau:

+ Polymer nhạy pH loại nhạy anion: Loại polymer này có các nhóm chức acid (như

-COOH, -SO3H, -SH,…), có thể gọi chung là polyacid yếu Loại polymer này có khảnăng ion hóa (biểu hiện trương) trong môi trường pH có tính base Các nhóm chứcacid sẽ hình thành ion âm trong môi trường pH lớn hơn giá trị pKacủa nó, do sự phân

ly proton tạo nên các ion mang điện tích cùng dấu trên mạch polymer