Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư.

Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư.Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư.Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư.Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư.

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN THỊ NGỌC TRĂM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO SILICA CẤU TRÚC RỖNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG

DỤNG MANG THUỐC CHỐNG UNG THƯ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – Năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN THỊ NGỌC TRĂM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO SILICA CẤU TRÚC RỖNG ĐỊNH HƯỚNG ỨNG

DỤNG MANG THUỐC CHỐNG UNG THƯ

Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp

Mã số chuyên ngành: 62440125

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguyễn Đại Hải

2 GS.TSKH Nguyễn Công Hào

Hà Nội – Năm 2021

dụng - Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tại Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Đại Hải và GS.TSKH Nguyễn Công Hào Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực, được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận án cùng cấp nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Ngọc Trăm

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Ngọc Trăm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 NANO SILICA 4

1.1.1 Giới thiệu về silica 4

1.1.2 Keo silica và độ bền của hệ keo 4

1.1.3 Cấu trúc của nano silica 5

1.1.4 Tính chất của nano silica 6

1.1.5 Phương pháp tổng hợp 6

1.1.6 Cấu tạo của nano silica cấu trúc rỗng 14

1.1.7 Tính chất và ứng dụng của nano silica cấu trúc rỗng 14

1.1.8 Phương pháp tổng hợp nano silica cấu trúc rỗng 15

1.1.9 Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng 18

1.2 THUỐC TRỊ UNG THƯ DOXORUBICIN 21

1.2.1 Giới thiệu thuốc Doxorubicin 21

1.2.2 Tác dụng phụ 22

1.3 MỘT SỐ POLYMER ĐƯỢC SỬ DỤNG BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO SILICA CẤU TRÚC RỖNG 23

1.3.1 Poly ethylene glycol 23

1.3.2 Pluronic 24

1.4 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 25 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 25

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 40

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 42

2.1 Phương tiện nghiên cứu 42

2.1.1 Hóa chất 42

2.1.2 Thiết bị 43

2.2 Phương pháp xác định tính chất đặc trưng của vật liệu 43

2.3 Phương pháp thực nghiệm 44

2.3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt nano silica rắn 44

2.3.2 Tổng hợp hạt nano silica rắn bằng phương pháp đáp ứng bề mặt 48

2.3.3 Tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ (SSN@CTAB-SSN) 52

2.3.4 Tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng (HMSN) 54

2.3.5 Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm amin 57

2.3.6 Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với mPEG 59

2.3.7 Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với Pluronic (F127) 62

2.3.8 Nghiên cứu hiệu quả nang hóa thuốc chống ung thư Doxorubicin (Dox) của các chất mang nano HMSN, HMSN-NH2, HMSN-mPEG, HMSN-F127 64 2.3.9 Khảo sát tốc độ phóng thích thuốc Doxorubicin của hệ HMSN/Dox, HMSN-NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox 65

2.3.10 Nghiên cứu độc tính tế bào đối với các hệ chất mang nano HMSN, HMSN-NH2, HMSN-PEG, HMSN-F127, HMSN/Dox, HMSN-NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox 67

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 69

3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt nano silica rắn 69

3.1.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TEOS 69

3.1.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ammonia 70

3.1.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ethanol 72

3.1.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 73

3.1.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ 75

3.1.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ thêm dung dịch ammonia 76

3.2 Kết quả tổng hợp hạt nano silica rắn bằng phương pháp đáp ứng bề mặt 76

3.2.1 Kết quả tổng hợp hạt nano silica rắn SSN 76

3.3.2 Mô tả quá trình phủ lớp vỏ silica lên lõi SSN 86

3.3.3 Kết quả tổng hợp hạt SSN-SSN 87

3.3.4 Đánh giá hình thái cấu trúc hạt nano silica SSN@CTAB-SSN/2 88

3.4 Kết quả tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng 92

3.4.1 Từ hạt SSN@CTAB-SSN 92

3.4.2 Từ hạt SSN-SSN 94

3.4.3 Đánh giá hình thái cấu trúc hạt nano silica cấu trúc rỗng 94

3.5 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm amin 100

3.6 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với monomethoxyl polyethylene glycol (mPEG) 107

3.6.1 Hoạt hóa monomethoxyl polyethylene glycol (mPEG) bằng 4-Nitrophenyl chloroformate (NPC) 108

3.6.2 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với mPEG 109

3.7 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với Pluronic 113

3.7.1 Kết quả hoạt hóa Pluronic (F127) bằng 4-Nitrophenyl chloroformate.113 3.7.2 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với Pluronic 114

3.8 Hiệu quả nang hóa thuốc chống ung thư Doxorubicin (Dox) của các chất mang nano HMSN, HMSN-NH2, HMSN-mPEG, HMSN-F127 118

3.9 Kết quả khảo sát tốc độ phóng thích thuốc Doxorubicin của hệ chất mang/thuốc HMSN/Dox, HMSN-NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox 119

3.10 Kết quả độc tính tế bào của chất mang nano dẫn truyền thuốc Dox 122

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 125

4.1 Kết luận 125

4.2 Kiến nghị 126

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 PHỤ LỤC 1

MSN Mesoporous silica nanoparticles

MCM-41 Mobil Composition of Materials no 41

APTES (3-aminopropyl)-triethoxysilane

1HNMR Proton Nuclear Magnetic Resonance FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy

UV-Vis Ultraviolet Visible Spectroscopy

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các loại PEG liên hợp và ứng dụng 23

Bảng 1.2 Kết quả tổng hợp và biến tính bề mặt của hạt nano silica cấu trúc rỗng 27 Bảng 2.1 Danh sách hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 42

Bảng 2.2 Danh sách thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 43

Bảng 2.3 Thông số thí nghiệm được dùng trong nghiên cứu 47

Bảng 2.4 Các thông số phản ứng được khảo sát 50

Bảng 2.5 Giá trị thực nghiệm bởi phần mềm Minitab 16 51

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt 75

Bảng 3.2 Giá trị kết quả thực nghiệm và dự đoán bởi Minitab 16 77

Bảng 3.3 Phân tích ANOVA cho các mô hình hồi quy 78

Bảng 3.4 Bảng kết quả kích thước hạt sử dụng điều kiện mong muốn 80

Bảng 3.5 Kết quả kích thước hạt SSN@CTAB-SSN tại các 85

Bảng 3.6 Kích thước hạt và thế zeta của SSN, SSN@CTAB-SSN và HMSN 100

Bảng 3.7 Kích thước hạt của mẫu HMSN-NH2 tại các tỉ lệ APTES 102

Bảng 3.8 Hiệu suất và khả năng mang thuốc Dox (DLE và DLC) 118

Đồ thị 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ TEOS đến sự phân bố kích thước hạt tại nồng độ

ban đầu cố định của NH3 (0,41 mol/l) và H2O (7,23 mol/l) 70

Đồ thị 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ ammonia đến kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của TEOS (0,36 mol/l) và H2O (6,90 mol/l) 71

Đồ thị 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ amonia đến sự phân bố kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của TEOS (0,36 mol/l) và H2O (6,90 mol/l) 71

Đồ thị 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của TEOS (1,49 mol/l) và H2O (28,90 mol/l) 72

Đồ thị 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến sự phân bố kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của TEOS (1,49 mol/l) và H2O (28,90 mol/l) 73

Đồ thị 3.7 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của TEOS (0,22 mol/l) và H2O (6,87 mol/l) 73

Đồ thị 3.8 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến sự phân bố kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của TEOS (0,22 mol/l) và H2O (6,87 mol/l) 74

Đồ thị 3.9 Biểu đồ đáp ứng bề mặt (X1: CTEOS, X2: CNH3, X3: CEtOH, X4: Nhiệt độ) .79

Đồ thị 3.10 Biểu đồ phân bố kích thước hạt nano silica rắn được tính toán từ dữ liệu DLS 80

Đồ thị 3.11 Thế zeta của hạt nano silica rắn SSN 81

Đồ thị 3.12 Thế zeta của hạt SSN trong dung dịch theo thời gian 82

Đồ thị 3.13 Giản đồ phân tích nhiệt của SSN 83

Đồ thị 3.14 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của SSN 83

Đồ thị 3.15 Biểu đồ phân bố kích thước hạt SSN@CTAB-SSN/2 88

Đồ thị 3.16.Thế zeta của hạt nano silica cấu trúc lõi –vỏ SSN@CTAB-SSN/2 90

Đồ thị 3.17 Thế zeta của hạt SSN@CTAB-SSN/2 trong dung dịch 90

Đồ thị 3.18 Giản đồ phân tích nhiệt của SSN@CTAB-SSN/2 91

Đồ thị 3.19 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của SSN@CTAB-SSN 92 Đồ thị 3.20 Sự phân bố kích thước hạt được tính toán từ dữ liệu DLS 96

Đồ thị 3.21 Thế zeta của HMSN 96

Đồ thị 3.22 Thế zeta của hạt HMSN trong dung dịch theo thời gian 97

Đồ thị 3.23 Giản đồ phân tích nhiệt của HMSN 98

Đồ thị 3.24 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của HMSN 100

Đồ thị 3.25 Tổng lượng nhóm amin (µg/100mg hạt HMSN-NH2) tại các tỉ lệ khác nhau của APTES 103

Đồ thị 3.26 Thế zeta của HMSN và HMSN-NH2 tại các tỉ lệ khác nhau của APTES .104

Đồ thị 3.27 Giản đồ phân tích nhiệt của HMSN và HMSN-NH2 tại các tỉ lệ khác nhau của APTES 104

Đồ thị 3.28 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-khử hấp phụ N2 của HMSN và HMSN-NH2 tại các tỉ lệ khác nhau của APTES 105

Đồ thị 3.29 Diện tích bề mặt (B) của HMSN và HMSN-NH2 tại các tỉ lệ khác nhau của APTES 106

Đồ thị 3.30.Thế zeta của HMSN và HMSN-mPEG 112

Đồ thị 3.31 Giản đồ nhiệt trọng trường của mẫu HMSN, mPEG và HMSN-mPEG .112

Đồ thị 3.32 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của HMSN-mPEG 113

Đồ thị 3.33 Thế zeta của HMSN và HMSN-F127 116

Đồ thị 3.34 Giản đồ nhiệt trọng trường của F127 và HMSN-F127 117

Đồ thị 3.35 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của HMSN-F127 117

Đồ thị 3.36 Cửa sổ điều trị của các loại thuốc được sử dụng 120

Đồ thị 3.37 Biểu đồ phóng thích thuốc của Doxorubicine theo thời gian 121

Đồ thị 3.38 Biểu đồ phóng thích thuốc của các hệ chất mang/Dox gồm HMSN/Dox, HMSN-NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox và HMSN-F127/Dox theo thời gian 122

Đồ thị 3.39 Đường cong độ độc tế bào HCC J5 của các hệ chất mang 123

Đồ thị 3.40 Đường cong độ độc tế bào HCC J5 của các hệ chất mang – thuốc 123

của một số chất hoạt động phổ biến được sử dụng trong tổng hợp 12

Sơ đồ 1.3 Sơ đồ cấu trúc của micell thường và micell đảo 13

Sơ đồ 1.4 Sơ đồ biến tính bề mặt nano silica với phân tử hữu cơ bằng phương pháp đồng ngưng tụ 19

Sơ đồ 1.5 Sơ đồ biến tính bề mặt nano silica với phântử hữu cơ bằng 20

Sơ đồ 1.6 Sơ đồ tổng hợp HMSN-W 32

Sơ đồ 1.7 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng chứa lõi nano sắt từ Fe3O4@void@mSiO2 33

Sơ đồ 1.8 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng, ứng dụng mang và phóng thích thuốc Dox 33

Sơ đồ 1.9 Sơ đồ biến tính PEG trên bề mặt vật liệu HMSN 34

Sơ đồ 1.10 Sơ đồ biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với PEG 35

Sơ đồ 1.11 Sơ đồ biến tính chitosan trên bề mặt vật liệu HNPs 36

Sơ đồ 1.12 Sơ đồ tổng hợp HMSS-NH2/Dox@Pd 36

Sơ đồ 1.13 Sơ đồ tổng hợp hệ chất mang HMSN/ZnO QDs 37

Sơ đồ 1.14 Sơ đồ tổng hợp hệ chất mang HMSN-SS-CDPEI@HA 38

Sơ đồ 1.15 Sơ đồ tổng hợp HMSN-acetylate CMC 39

Sơ đồ 1.16 Sơ đồ tổng hợp HMSNs-PDA-PEG@QD 39

Sơ đồ 1.17 Sơ đồ tổng hợp PNS-SS-A@CD-HPEG 40

Sơ đồ 2.1 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica rắn 46

Sơ đồ 2.2 Sơ đồ minh họa thiết kế thí nghiệm phức hợp trung tâm BBD 50

Sơ đồ 2.3 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ SSN@CTAB/SSN 53

Sơ đồ 2.4 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica rỗng 54

Sơ đồ 2.5 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng HMSN 56

Sơ đồ 2.6 Sơ đồ biến tính bề mặt HMSN với nhóm amin 57

Sơ đồ 2.7 Sơ đồ biến tính biến bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm amin 58

Sơ đồ 2.8 Sơ đồ hoạt hóa mPEG bằng p-nitrophenyl chloroformate 60

Sơ đồ 2.9 Sơ đồ tổng hợp HMSN-mPEG 61

Sơ đồ 2.10 Sơ đồ phản ứng tổng hợp NPC-F127-OH 62

Sơ đồ 2.11 Sơ đồ hoạt hóa F127 bằng p-nitrophenyl chloroformate 63

Sơ đồ 2.12 Sơ đồ nang hóa thuốc Doxorubicine của hệ chất mang 65

Sơ đồ 2.13 Sơ đồ phóng thích thuốc của hệ chất mang – thuốc 66

Sơ đồ 3.1 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ 87

Sơ đồ 3.2 Sơ đồ của CTAB mono- và bilayer trên bề mặt silica/nước 90

Hình 1.3 Cấu trúc của nano silica với nhóm silanol, nhóm siloxane trên bề mặt (a)

và bên trong (b) 5

Hình 1.4 Loại nhóm silianol trên bề mặt nano silica 6

Hình 1.5 Phương pháp vật lý và phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano 7

Hình 1.6 Mô hình cấu trúc bên trong của hạt nano silica hình cầu 8

Hình 1.7 Mô hình tăng trưởng hạt trong quá trình tăng trưởng đa lớp bằng cách thủy phân TEOS trong môi trường alcohol – nước – ammonia 9

Hình 1.8 Phản ứng thủy phân và ngưng tụ của TEOS 10

Hình 1.9 Mô hình cấu trúc nano silica rỗng (a) và cấu trúc lớp vỏ (b) 14

Hình 1.10 Quy trình tổng hợp hợp hạt nano hình cầu bằng 16

Hình 1.11 Phương trình phản ứng theo phương pháp đồng ngưng tụ 19

Hình 1.12 Phương trình phản ứng theo phương pháp grafting 20

Hình 1.13 Phản ứng hoạt hóa mPEG bằng p-nitrophenyl chloroformate 20

Hình 1.14 Trung tâm thân điện tử trên nhóm carbonyl 21

Hình 1.15 Phản ứng biến tính mPEG đã hoạt hóa lên bề mặt HMSN 21

Hình 1.16 (1) Cấu trúc hóa học và (2) ảnh hưởng của doxorubicin 22

Hình 1.17 Cấu trúc phân tử Pluronic 25

Hình 1.18 Ảnh TEM của PbS@mSiO2 dạng khối (A) và hạt rỗng tạo thành (C), tương ứng với ảnh TEM với độ phóng đại lớn hơn (B, D) 32

Hình 1.19 Ảnh SEM (a) và TEM (b) của HMS 35

Hình 1.20 Ảnh SEM (a,c) và TEM (b,d) của các hạt HMSS (a,b) 37

Hình 1.21 Ảnh TEM của các hạt (A) HMSN và (B) HMSN-SS-CDPEI@HA 38

Hình 1.22 Ảnh TEM của SiO2 rắn (a), HMSN (b) và CLS@HMSNs-Cs (c) 40

Hình 1.23 Ảnh TEM của PNS (a) và PNS-SS-A@CD-HPEG (b) 41

Hình 2.1 Thiết kế phức hợp trung tâm BBD cho quá trình tối ưu ba yếu tố 49

Hình 2.2 Phản ứng giữa ninhydrin và amino axit tạo thành phức màu tím 58

Hình 3 1 Ảnh TEM của nano silica tương ứng với hai nồng độ của TEOS: (A) 0,07 mol/l and (B) 1,20 mol/l tại điều kiện cố định 70

Hình 3.2 Ảnh TEM của nano silica tương ứng với hai nồng độ của NH3: (A) 0,17 mol/l and (B) 2,90 mol/l tại điều kiện cố định 72 Hình 3.3 Ảnh TEM của nano silica tương ứng với hai nồng độ của ethanol: (A) 8.68 mol/l và (B) 15.19 mol/l tại điều kiện cố định 73 Hình 3.4 Ảnh TEM của nano silica tương ứng với hai thời gian phản ứng: (A) 0,5 giờ và (B) 5 giờ tại điều kiện cố định 74 Hình 3.5 Ảnh TEM của nano silica tương ứng với hai nhiệt độ: (A) 350C và (B) 650C tại điều kiện cố định 75 Hình 3.6 Ảnh TEM của nano silica tương ứng với tốc độ nhỏ của NH3: (A) nhanh và (B) 100μl/phút tại điều kiện cố định 76 Hình 3.7 Ảnh TEM và thống kê kích thước hạt từ ảnh TEM của SiO2 (a, a’) 80 Hình 3.8 Cấu trúc và điện tích bề mặt hạt nano silica rắn SSN 81 Hình 3.9 Ảnh TEM và sự phân bố kích thước hạt thống kê từ ảnh TEM tại nồng độ TEOS khảo sát 0,07 mol/l (a,a’), 0,27 mol/l (b,b’), 0,45 mol/l (c,c’), 0,61 mol/l (d,d’), 0,72 mol/l (e,e’) và ảnh phóng đại một hạt (f) 85 Hình 3.10 Ảnh TEM (a) và sự phân bố kích thước hạt được tính toán từ dữ liệu DLS (b) của hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ SSN-SSN 88 Hình 3.11 Ảnh TEM mẫu SSN@CTAB-SSN/2 trước và sau khi thẩm tách bằng màng cellulose với nước cất (a,b) 89 Hình 3.12 Ảnh TEM của HMSN tại thời gian ăn mòn 1giờ, 3 giờ, 6 giờ, 9 giờ và 12 giờ tương ứng với hình a, b, c, d, e tại thang đo 200 nm; và phóng đại một hạt HMSN (hình f) 93 Hình 3.13 Ảnh TEM (a) và sự phân bố kích thước hạt được tính toán từ dữ liệu DLS (b) của hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ SSN-SSN 94 Hình 3.14 Ảnh SEM của hạt nano silica cấu trúc rỗng HMSN 95 Hình 3.15 Ảnh TEM và thống kê kích thước hạt từ ảnh TEM của hạt HMSN 95 Hình 3.16 Phổ FTIR của HMSN 97 Hình 3.17 Phổ XPS của HMSN khi quét tổng quát và độ phân giải cao của O 1s, Si 2s, Si 2p 98 Hình 3.18 Phổ XRD góc rộng của HMSN 99

Hình 3.20 Phổ hồng ngoại của HMSN a) và HMSN- NH2-50 b) 106

Hình 3.21 Phổ XPS của HMSN-NH2-500 khi quét tổng quát và độ phân giải cao của O 1s, N 1s, Si 2s và Si 2p 107

Hình 3.22 Phổ hồng ngoại của mPEG-NPC 108

Hình 3.23 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của mPEG-NPC 108

Hình 3.24 Ảnh SEM (a), TEM (b)(c – nhuộm) và phân bố kích thước hạt (b’) 109

Hình 3.25 Giản đồ nhiễu xạ tia X góc rộng của HMSN (a), APTES (b), HMSN-NH2 (c), and HMSN-mPEG (d) 110

Hình 3.26 Phổ hấp thụ hồng ngoại của (a) HMSN-mPEG, (b)mPEG và (c) HMSN .111

Hình 3.27 Phổ XPS của HMSN-mPEG 111

Hình 3.28 Phổ FTIR của NPC-F127-OH 113

Hình 3.29 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của F127-NPC 114

Hình 3.30 Ảnh SEM (a) và TEM (b) và phân bố kích thước hạt (b’) 115

Hình 3.31 Giản đồ nhiễu xạ tia X góc rộng của HMSN (a), HMSN-F127 (b) 115

Hình 3.32 Phổ hấp thụ hồng ngoại của (a) HMSN, (b) F127 và (c) HMSN-F127116 Hình 3.33 Tế bào HCC J5 được xử lý bởi HMSN, HMSN-NH2, HMSN-mPEG, HMSN-F127 tại các nồng độ khác nhau; Dox, HMSN-NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox tại các nồng độ Dox khác nhau 124

MỞ ĐẦU

Từ năm 2000, nano silica cấu trúc mao quản (mesoporous silica nanoparticles – MSN) là vật liệu được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng y sinh [1] So với các hạt nano polymer, micell và liposome, thì MSN được biết đến như là chất mang nano đầy hứa hẹn do có diện tích bề mặt cao, thể tích lỗ xốp lớn, có thể điều chỉnh kích thước lỗ xốp, tính tương hợp sinh cao và dễ biến tính bề mặt [2],[3] Gần đây, vật liệu nano silica cấu trúc rỗng (hollow mesoporous silica nano particles – HMSN) đang thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học HMSN có lớp vỏ cấu trúc mao quản tương tự như MSN và lỗ rỗng bên trong nên có khả năng chứa được nhiều phân tử thuốc hơn, giảm thiểu khả năng tích lũy vật liệu lạ trong cơ thể do đó hứa hẹn tiềm năng thay thế vật liệu MSN trong tương lai

HMSN có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó hard – template là phương pháp phổ biến hiện nay vì có thể kiểm soát quá trình tạo hạt và kích thước hạt [4] Các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung vào quá trình tổng hợp, biến tính bề mặt vật liệu tạo thành và ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau Trong khi đó quá trình xử lý lõi rắn và kiểm soát hình thái, giai đoạn phủ lớp vỏ, kích thước hạt HMSN chưa được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh và giải thích rõ ràng Mặt khác, trong cấu trúc lớp vỏ của hạt HMSN có các ống mao quản nối trực tiếp với

lỗ rỗng bên trong nên thuốc dễ bị rò rỉ trong quá trình vận chuyển Do đó, vấn đề đặt

ra là cần phải che chắn các lỗ mao quản này bằng cách biến tính bề mặt các hạt HMSN với các phân tử hữu cơ hay các polymer giữ vai trò như là “ nắp” đậy các lỗ mao quản

để tăng hiệu quả mang thuốc và kiểm soát phóng thích thuốc [2]

Trong nghiên cứu này, với mục tiêu tạo ra hệ chất mang ứng dụng trong dẫn truyền thuốc, đề tài tập trung tổng hợp hạt HMSN hình cầu với kích thước mong muốn nhỏ hơn 200 nm Hình thái, kích thước của hạt HMSN sẽ được kiểm soát thông qua việc kiểm soát hình thái, kích thước của các hạt nano silica được tạo thành trong từng giai đoạn tổng hợp: hình thái và kích thước lõi nano silica rắn ban đầu, quá trình phủ lớp vỏ có cấu trúc mao quản và xử lý lõi rắn được nghiên cứu Ngoài ra, PEG (poly (ethylene glycol)) và Pluronic (F127) sẽ được sử dụng để biến tính trên bề mặt các hạt HMSN nhằm giữ lượng thuốc đã được nang hóa nên khả năng mang thuốc của vật kiệu sau khi biến tính sẽ cao hơn các hạt HMSN ban đầu Từ những phân tích

trên cho thấy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc

Nghiên cứu tổng hợp chất mang thuốc nano silica cấu trúc rỗng và kiểm soát kích thước hạt tạo thành Đồng thời, khảo sát khả năng mang và phóng thích của hệ chất mang trên cơ sở biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm chức hữu

cơ và các polymer

Nội dung nghiên cứu luận án bao gồm các nội dung sau và được thể hiện qua Sơ

đồ 1.1

1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước hạt nano silica rắn (SSN)

2 Tổng hợp hạt nano silica rắn (SSN) bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)

3 Nghiên cứu tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ (SSN@CTAB-SSN)

4 Nghiên cứu tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng (HMSN)

5 Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng bằng nhóm amin với các tỉ lệ mol HMSN/nhóm -NH2 khác nhau (HMSN-NH2)

6 Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng bằng Polyethylene glycol 5000 (PEG5k) (HMSN-mPEG)

7 Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng bằng Pluronic F127 (HMSN-F127)

8 Nghiên cứu hiệu quả nang hóa thuốc chống ung thư Doxorubicin (Dox) của các chất mang nano HMSN, HMSN-NH2, HMSN-mPEG, HMSN-F127

9 Khảo sát tốc độ phóng thích thuốc Doxorubicin của hệ HMSN/Dox, HMSN- NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox

10 Nghiên cứu độc tính tế bào ung thư đối với các hệ chất mang nano HMSN, HMSN-NH2, HMSN-PEG, HMSN-F127, HMSN/Dox, HMSN-NH2/Dox, HMSN- mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox

3

Sơ đồ 1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

Silicon dioxide (hay silica) là thành phần chính của lớp vỏ trái đất, kết hợp với các oxide của magie, canxi và sắt tạo thành các khoáng chất silicate trong đá và đất Qua hàng triệu năm silicon dioxide đã được tách ra khỏi đá silicate ban đầu do tác động của nước dẫn đến sự tạo thành thạch anh hay opal Silica có thể là tự nhiên hoặc tổng hợp, tinh thể hoặc vô định hình Với mục đích nghiên cứu các ứng dụng trong lĩnh vực Y-Sinh, luận án đề cập đến silica tổng hợp có cấu trúc vô định hình [5]

Silica có cấu trúc tứ diện SiO4, gồm bốn nguyên tử oxy tại bốn góc và một ion silicon tại tâm của tứ diện Tuy nhiên, bốn ion oxy lớn hơn nhiều so với ion Si4+ nên bốn ion oxy của một đơn vị [SiO4]4- có thể tiếp xúc lẫn nhau (Hình 1.1) Silica chứa liên kết Si – O, là liên kết bền nhất trong tất cả các liên kết nguyên tố Si-X với chiều dài liên kết Si – O là 0,162 nm [5]

Hình 1.1 Cấu trúc tứ diện của nano silica

Trái ngược với silica tinh thể, silica vô định hình có sự sắp xếp ngẫu nhiên các đơn vị [SiO4]4- tạo thành một cấu trúc không tuần hoàn (nonperiodic) (Hình 1.2) Kết quả này dẫn đến sự khác nhau về khối lượng riêng của các loại silica, trong đó silica cấu trúc vô định hình có khối lượng riêng nhỏ nhất là 2,20 g/ml tại 273K [5]

Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể (a) và vô định hình (b) của nano silica

1.1.2 Keo silica và độ bền của hệ keo

“Keo silica” hay “sol” được tạo thành do sự phân tán bền các hạt silica vô định hình kích thước từ 1 đến 1000 nm trong dung dịch Bền trong trường hợp này

có nghĩa là các hạt nano silica không kết tụ lại với nhau với một tốc độ đáng kể Độ bền của hệ keo gồm ba loại: Độ bền pha tương tự như độ bền pha của các dung dịch thông thường, độ bền của các thành phần phân tán nghĩa là liên quan đến sự thay đổi

độ phân tán (còn gọi là sự phân bố kích thước hạt), độ bền tập hợp là đặc trưng nhất cho hệ keo được giải thích dựa trên lực van der Waals, lực hấp dẫn, lực tĩnh điện và đặc biệt là thuyết DLVO (Derjaguin – Landau – Verwey – Overbeek) Theo thuyết này, độ bền thấp dự đoán tại pH khoảng 2 – 3, sau đó tăng ở khoảng pH giữa 3 – 6

và ổn định nhất vào khoảng pH từ 7 – 10 [5]

1.1.3 Cấu trúc của nano silica

Cấu trúc bề mặt hay bên trong của các hạt nano silica bao gồm nhóm silanol (Si – OH) và nhóm siloxane (Si – O – Si) (Hình 1.3) Các nhóm silianol trên bề mặt (có thể là đơn (isolated hay hydrogen bonded) hoặc gemini (hai nhóm hydroxyl trên một nguyên tử silic)), tuy nhiên phổ biến nhất là isolated silianol (nhóm silanol tự do)

và gemini silanol tương ứng Hình 1.4.a và b [6] Các nhóm silanol được hình thành trong quá trình tổng hợp thông qua phản ứng ngưng tụ và polyme hóa của Si(OH)4 hoặc là kết quả của quá trình hydrat hóa Các nhóm silanol này có thể được phân loại theo tính chất, loại liên kết Một nhóm silanol tự do bao gồm một nhóm OH tại vị trí

có khoảng cách đủ xa với các nhóm hydroxyl bên cạnh để ngăn chặn tạo thành liên kết hydro Nhóm silanol này cho một dải tín hiệu tại số sóng 3750 cm-1 trong phổ hồng ngoại Các nhóm OH bề mặt silica là trung tâm hấp phụ chính của các phân tử nước Nước có thể được liên kết bởi các liên kết hydro với bất kỳ loại silanol bề mặt nào và đôi khi với các nhóm silanol bên trong cấu trúc Đối với các cầu siloxane được tạo thành bởi sự ngưng tụ các nhóm silanol bề mặt hay bên trong cấu trúc được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 500oC [5, 6]

Hình 1.3 Cấu trúc của nano silica với nhóm silanol, nhóm siloxane trên bề mặt (a)

và bên trong (b)

Hình 1.4 Loại nhóm silianol trên bề mặt nano silica

1.1.4 Tính chất của nano silica

Nano silica là một loại bột trắng vô định hình, độ tinh khiết cao, không độc hại, không mùi và thân thiện với môi trường Đặc biệt, diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp lớn, khối lượng riêng thấp và phân tán tốt Hơn nữa, nano silica có độ bền cao kể

cả bền cơ học, hóa học và nhiệt [7]

Nano silica được sử dụng như một chất mang, thích hợp cho việc mang thuốc

vì chúng có độ chọn lọc và tính bền vững cao khi kết hợp với thuốc Các chất mà nano silica có thể mang được là thuốc, ADN, các hormone,… Đặc biệt, tính phân hủy sinh học của nano silica là quan trọng đối với việc sử dụng trong việc phân phối thuốc, nano silica có trọng lượng phân tử thích hợp có thể được đào thải qua thận trong cơ thể và tính tương hợp sinh học cao Đây được xem là một ưu điểm vượt trội của nano silica [3]

Ngoài ra với tính chất dễ biến tính bề mặt, nhờ vào các dẫn xuất của silane như (3-aminopropyl) trimethoxysilane,… mà các hạt silica có thể gắn được hầu hết các vật liệu lên bề mặt một cách dễ dàng nên nano silica được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực y sinh [3]

1.1.5 Phương pháp tổng hợp

Sự tiến bộ trong công nghệ nano dẫn đến việc sản xuất nano silica được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và trong đời sống Tuy nhiên, các hạt nano silica được chiết xuất từ thiên nhiên chứa tạp chất kim loại và do đó không thuận lợi cho các ứng dụng khoa học và công nghệ tiên tiến, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh Do đó, việc tập trung tổng hợp silica (keo silica, silica gel, pyrogenic silica) với độ tinh khiết cao, chủ yếu ở dạng bột vô định hình giữ vai trò quan trọng Hiện nay, các phương pháp khác nhau đã được sử dụng để tổng hợp các hạt nano silica, có thể được phân loại thành hai phương pháp chính: từ trên xuống và từ dưới lên (Hình 1.5) [8, 9] Cách

tiếp cận từ trên xuống được đặc trưng bằng cách giảm kích thước ban đầu bằng cách

sử dụng các kỹ thuật đặc biệt (phương pháp vật lý) Cách tiếp cận từ dưới lên (hay gọi là phương pháp hóa học) là phương pháp phổ biến được sử dụng để tổng hợp hạt nano Một số phương pháp được sử dụng để tổng hợp nano silica là phương pháp Stober, quá trình sol – gel và vi nhũ tương đảo [8]

Hình 1.5 Phương pháp vật lý và phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu nano Phương pháp Stober

Phương pháp Stober được chính nhà khoa học cùng tên Stober và Arthur Fink công bố vào năm 1968 Theo đó, một hệ phản ứng hóa học được phát triển cho phép

sự tăng trưởng có kiểm soát của các hạt nano silica hình cầu có kích thước đồng đều thông qua phản ứng thủy phân của alkyl silicate và sự ngưng tụ của silicic axit trong alcohol Ammonia được dùng như là chất một chất xúc tác hình thái Các hạt nano tạo thành có dạng hình cầu, đơn phân tán và có kích thước từ nhỏ hơn 0,05 µm đến 2

µm [10]

Thông qua các chất tham gia phản ứng gồm nước, alkyl silicate, alcohol và ammonia có thể kiểm soát được kích thước hạt Đối với các loại alcohol khác nhau, kích thước hạt nhỏ nhất được tìm thấy trong methanol và lớn nhất trong n-butanol trong cùng điều kiện so sánh Ngoài ra, có sự phân bố kích thước hạt với dải rộng đối với các alcohol bậc cao hơn Kết quả so sánh với các alkyl silicate cho thấy phản ứng xảy ra nhanh nhất, kích thước hạt nhỏ nhất (nhỏ hơn 0,2 µm) được tạo thành với

Stober Thứ nhất: mô hình tăng trưởng bổ sung monomer (monomer addition), liên quan đến sự tạo mầm khi vượt quá giới hạn siêu bão hòa và phát triển mầm bằng cách ngưng tụ các monomer silicic axit trên bề mặt của các hạt hiện có (mầm) [11, 12] Kết quả của cơ chế tăng trưởng này dẫn đến sự hình thành cấu trúc bên trong của các hạt tương ứng với mô hình I trong Hình 1.6 Mô hình thứ hai (II) liên quan đến cơ chế kiểm soát sự kết tụ của các hạt phụ, kích thước vài nano (mô hình tăng trưởng tập hợp) [12, 13] Theo mô hình này, sự tạo thành các hạt silicon dioxide trong phương pháp Stober là do sự kết tụ các hạt sơ cấp của phân tử silica kích thước (d) từ

5 đến 10 nm được tạo thành do phản ứng thủy phân TEOS (tetraethyl orthosilicate) Tuy nhiên, khi kích thước giới hạn của hạt (D) đạt khoảng 350 nm thì sự kết tụ sẽ kết thúc Khi đạt đến một tỷ lệ tới hạn nhất định d/D, các hạt sơ cấp không thể vượt qua hàng rào lực đẩy tĩnh điện của khí quyển ion (ion atmosphere) xung quanh các hạt đang tăng trưởng và chúng bắt đầu tạo thành các hạt mới với đường kính nhỏ hơn Đặc biệt, mô hình thứ ba (III) gồm một lõi trung tâm được tạo thành từ các hạt sơ cấp (mô hình II) và lớp vỏ được tạo thành từ các hạt thứ cấp có kích thước nhỏ hơn 100

nm [14]

Hình 1.6 Mô hình cấu trúc bên trong của hạt nano silica hình cầu

Ngoài ra, cơ chế tạo thành hạt được đề xuất bằng phương pháp SFB (Stober – Fink- Bohn) đa lớp Cơ chế mô tả được xác định bởi tính tuần hoàn của sự tăng trưởng các hạt đa lớp khi những hạt nano tạo thành giai đoạn trước đó được sử dụng như là

“mầm” cho giai đoạn tiếp theo (Hình 1.7) [14]

Hình 1.7 Mô hình tăng trưởng hạt trong quá trình tăng trưởng đa lớp bằng cách

thủy phân TEOS trong môi trường alcohol – nước – ammonia Quá trình sol – gel

Quá trình sol – gel được sử dụng rộng rãi để tạo ra các hạt silica tinh khiết do

có thể kiểm soát kích thước hạt, sự phân bố kích thước hạt và hình thái thông qua việc kiểm soát một cách hệ thống các thông số phản ứng và được thực hiện ở nhiệt

độ thấp [8, 15] Đặc biệt quá trình này còn có khả năng kiểm soát cấu trúc và bề mặt của vật liệu [5] Quá trình này bao gồm các giai đoạn: sự thủy phân và ngưng tụ của các alkoxide kim loại (Si(OR)4) như TEOS hay muối vô cơ như Na2SiO3 (natri silicate) trong axit hay bazơ như là chất xúc tác tạo thành keo silica Tiếp theo là giai đoạn già hóa keo và làm khô gel ướt để loại bỏ các chất lỏng còn lại hay nhiệt xử lý gel khô để loại bỏ các chất hữu cơ, kết quả tạo thành xerogel hay aerogel tùy thuộc vào cách làm khô mẫu hay khi đông khô sẽ tạo cryogel [5, 16] Sơ đồ tổng quát cho quá trình sol – gel kết quả tạo thành silica khi dùng tiền chất chứa silicon là alkoxide (Si(OR)4) thể hiện trong Sơ đồ 1.1 [8]

Sơ đồ 1.1 Sơ đồ tổng hợp theo quá trình sol – gel

Phản ứng tổng quát của TEOS dẫn đến sự hình thành các hạt nano silica trong quá trình sol - gel được thể hiện trong Hình 1.8 [13]

Hình 1.8 Phản ứng thủy phân và ngưng tụ của TEOS

Sự thủy phân của các phân tử TEOS tạo thành các nhóm silanol Sự ngưng tụ/ trùng hợp giữa những nhóm silanol hoặc giữa những nhóm silanol và nhóm epoxy tạo ra các cầu siloxane (Si – O – Si) để hình thành toàn bộ cấu trúc silica Sự tạo thành các hạt silica có thể được chia thành hai giai đoạn: tạo mầm và phát triển mầm Quá trình sol – gel cũng sử dụng hai mô hình được đề xuất trên để mô tả cơ chế tăng trưởng silica [17]

Nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực để xác định kích thước của các hạt sơ cấp bằng các kỹ thuật khác nhau Thông qua kỹ thuật SAXS (Small Angle X-ray scattering), Green và cộng sự cho thấy kích thước hạt sơ cấp là 10,3 nm (trong

methanol) hoặc 20,7 nm (trong ethanol) Sau đó, Rahman và cộng sự tạo ra hạt nano silica đồng nhất và ổn định với kích thước trung bình 7,1 ± 1,9 nm (trong ethanol) [8]

Như vậy, các hạt nano silica hình cầu, đơn phân tán được báo cáo lần đầu tiên bởi Stober và cộng sự Các hạt silica kích thước khoảng từ 5 nm đến 2000 nm từ dung dịch cồn của alkoxide với sự có mặt của ammonia làm chất xúc tác (điều kiện cơ bản) Theo đó, nhiều công trình nghiên cứu về tổng hợp nano silica tiếp theo đều dựa trên nền tảng phương pháp Stober, chẳng hạn như quá trình sol – gel Và ưu điểm chính của phương pháp Stober là khả năng hình thành các hạt nano silica hình cầu, đơn phân tán so với các hệ phản ứng dùng xúc tác axit thường có thể tạo thành cấu trúc gel [5, 8]

Phương pháp vi nhũ tương

Phương pháp vi nhũ tương trong tổng hợp các hạt nano được công bố đầu tiên bởi Boutonnet và cộng sự vào năm 1980 Boutonnet đã tổng hợp một số keo của các kim loại quý [18] Phương pháp vi nhũ tương có một số tính chất hữu ích như độ bền cao, kích thước hạt nhỏ (cấu trúc bên trong) Ngoài ra, kích thước và hình dạng có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi thành phần [19] Vi nhũ tương có thể được mô

tả như là một hệ bền nhiệt động của hai chất lỏng không hòa tan Pha phân tán có thể tích thấp hơn sẽ tạo thành các giọt trong vi nhũ tương [20] Các dung dịch phân tán

có thể được phân loại là dầu trong nước (O/W), tại đó các giọt dầu tồn tại trong nước hoặc ngược lại nước trong dầu (W/O), trong đó các giọt nước phân tán trong dầu Ngoài ra còn có hệ dầu trong dầu (O/O), tại đó hai loại dầu (phân cực và không phân cực) trộn với nhau [21] Hệ vi nhũ tương gồm ít nhất ba thành phần là phân cực, pha không phân cực và chất hoạt động bề mặt

Các chất hoạt động bề mặt trong hệ nhũ tương hoạt động như chất nhũ hóa Các phân tử amphiphilic được phân loại (dựa vào điện tích của các nhóm đầu) như chất hoạt động bề mặt không ion, anionic, cation và zwitterionic (mang cả hai nhóm điện tích âm và dương) Một số chất hoạt động bề mặt phổ biến đã được sử dụng để tổng hợp các hạt nano bằng phương pháp vi nhũ tương như Cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) là chất hoạt động bề mặt cation, dioctylsulfosuccine natri (AOT) là anion, phosphatidylcholine (PC) là zwitterionic và Triton X-100 là không ion thể hiện trong Sơ đồ 1.2 [22]

Sơ đồ 1.2 Sơ đồ (a) của các loại chất bề mặt hoạt động khác nhau và cấu trúc (b)

của một số chất hoạt động phổ biến được sử dụng trong tổng hợp

vi nhũ tương của các hạt nano

Các phân tử chất hoạt động bề mặt này hấp phụ tại các bề mặt (ranh giới giữa hai pha không tan vào nhau) và được dùng để làm bền các vi nhũ tương bằng cách giảm sức căng bề mặt và năng lượng tự do [23] Một đặc tính khác của chất hoạt động

bề mặt là xu hướng kết tụ lại tạo thành micell tại một nồng độ cụ thể, gọi là nồng độ micell tới hạn (the critical micell concentration – CMC) Trong vi nhũ tương O/W, đầu ưa nước của chất hoạt động bề mặt hướng ra ngoài từ micell (để tiếp xúc với nước) và kị nước liên kết trong lõi (trong các giọt dầu) gọi là “micell thường” Ngược lại, trong vi nhũ tương W/O sẽ tạo thành “micell đảo” (Sơ đồ 1.3) Lõi của các vi nhũ tương đảo (micell đảo) có thể đóng vai trò quan trọng và hiệu quả đối với quá trình tổng hợp các hạt nano [22]

Sơ đồ 1.3 Sơ đồ cấu trúc của micell thường và micell đảo

Phương pháp vi nhũ tương được sử dụng để tổng hợp hạt nano silica được báo cáo bởi Tan và cộng sự [24] Theo đó, chất hoạt động bề mặt được hòa tan trong dung môi hữu cơ để tạo thành các hạt micell hình cầu, trong sự có mặt của nước thì các đầu phân cực tự co cụm lại với nhau tạo thành lỗ mao quản chứa nước thường được gọi là micell đảo

Các hạt nano silica đơn phân tán có kích thước từ 30 nm đến 70 nm được tổng hợp bằng cách thủy phân TEOS trong vi nhũ tương đảo được tạo thành từ polyoxyetylen(5)nonylphenyl ether (NP-5)/cyclohexane/ammonia [25, 26] Kích thước hạt phụ thuộc vào tỷ lệ mol nước - chất hoạt động bề mặt (Wo) và vào nồng

độ của dung dịch ammonia Đặc biệt, mối tương quan giữa cấu trúc mao quản của vi nhũ tương và tính chất của vật liệu tạo thành rất phức tạp, có khả năng bị ảnh hưởng bởi các sản phẩm phụ do chúng có thể làm thay đổi cấu trúc vi nhũ tương Chẳng hạn như ethanol được tạo ra trong quá trình thủy phân TEOS trong nhũ tương W/O (CTAB/pentanol/hexane/nước) làm thay đổi cấu trúc từ các micell đảo nhỏ riêng lẻ thành micell lớn hơn [27, 28] Ngoài ra, trong quá trình tổng hợp các hạt nano silica, các hạt nano có thể được phát triển bên trong các lỗ mao quản bằng cách kiểm soát cẩn thận việc bổ sung silicon alkoxide và xúc tác vào môi trường chứa các micell đảo Phương pháp vi nhũ tương đảo có nhược điểm chính là chi phí cao và khó khăn trong việc loại bỏ các chất hoạt động bề mặt trong các sản phẩm cuối cùng Tuy nhiên, phương pháp này đã được áp dụng thành công cho việc phủ các hạt nano với các nhóm chức khác nhau [8]

khoảng trống này HMSN có thể mang một lượng thuốc lớn hơn nhiều so với MSN (Hình 1.9a) Để tạo khoảng trống bên trong, các nhà khoa học sử dụng các loại hạt như hạt nano carbon, nano polystyren, nano sắt từ, nano silica,… để định hình trước khi sử dụng các phương pháp hóa học hay vật lý để loại bỏ chúng [29] Thứ hai là lớp vỏ mao quản bên ngoài (Hình 1.9b), lớp vỏ này được tạo thành từ hai thành phần

là chất tiền thân silica và chất hoạt động bề mặt Chất tiền thân silica thường được sử dụng là TEOS, chất hoạt động bề mặt là Cetyltrimethylamnonium bromide (CTAB) hoặc Octadecyltrimethoxysilane (C18TMS) [30, 31] Trong khi CTAB là chất rắn màu trắng dạng bột thì C18TMS là dung dịch trong suốt, tùy vào quy trình tổng hợp mà các nhà khoa học chọn sử dụng CTAB hay C18TMS Sau khi phủ lớp vỏ bằng chất hoạt động bề mặt và chất tiền thân silica, sẽ tiến hành nung tại 550oC hoặc thẩm tách bằng ethanol/axit acetic để loại bỏ chất hoạt động bề mặt tạo thành lớp vỏ mao quản [32-34]

Hình 1.9 Mô hình cấu trúc nano silica rỗng (a) và cấu trúc lớp vỏ (b)

1.1.7 Tính chất và ứng dụng của nano silica cấu trúc rỗng

Các hạt nano silica cấu trúc rỗng thể hiện các đặc điểm cấu trúc độc đáo được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Thứ nhất, sự kết hợp lỗ rỗng bên trong và lớp vỏ mao quản trong cấu trúc làm cho các hạt HMSN có khối lượng riêng thấp và có tính thấm cao [29, 35] Thứ hai, khoảng trống bên trong hạt HMSN có thể được dùng như nơi chứa để tải các chất xúc tác trong phản ứng xúc tác hay làm chất mang nano để lưu trữ và phân phối thuốc cho các ứng dụng y sinh sau khi được biến tính làm bền bề mặt Thứ ba, lớp vỏ với độ dày kích thước nano rất thuận lợi để chuyển lượng chất phản ứng và sản phẩm ra/ vào lỗ rỗng, chủ yếu cho các pha lỏng, hay mang và phóng

thích thuốc hoặc vận chuyển các phân tử khác Mặt khác, khi ống mao quản trên lớp

vỏ ngắn hơn nhiều thì sự khuếch tán trở nên ít quan trọng, bề mặt bên trong lớp vỏ được sử dụng hiệu quả hơn khi các hạt HMSN được dùng như chất hỗ trợ xúc tác [36] Ngoài ra, HMSN dễ dàng biến tính bề mặt thông qua các liên kết Si – OH Do

đó, HMSN đã chứng minh được tiềm năng lớn trong lĩnh vực đóng gói (encapsulation), kiểm soát mang và phóng thích thuốc, lĩnh vực xúc tác, lĩnh vực hấp phụ và tách [37]

1.1.8 Phương pháp tổng hợp nano silica cấu trúc rỗng

Các phương pháp tổng hợp các hạt nano silica cấu trúc rỗng đã được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu Theo loại khuôn (template) để tạo ra lỗ rỗng bên trong

có thể chia thành phương pháp soft-template (khuôn mềm), hard-template (khuôn cứng) và phương pháp self-template (tự tạo khuôn) Trong đó, phương pháp soft- template liên quan đến việc trực tiếp tạo ra cả lỗ rỗng và vỏ thông qua việc tự lắp ráp giữa các phân tử tiền chất và khuôn chất hoạt động bề mặt hữu cơ/các chất hữu cơ khác Ở đây, các khuôn (hay lõi) thường là các giọt của các phân tử tiền chất, chất hoạt động bề mặt sẽ được loại bỏ sau quá trình tạo thành hạt rỗng Đối với phương pháp hard-template, một số hạt rắn cứng được chuẩn bị làm lõi và sẽ được xử lý sau khi tạo lớp vỏ cấu trúc mao quản trên lõi, trong đó lớp vỏ được tạo ra bởi sự tự lắp ráp giữa các tiền chất và micell chất hoạt động bề mặt [38, 39]

Phương pháp hard- template

Phương pháp hard- template gồm ba giai đoạn cơ bản: chuẩn bị các hạt nano

để sử dụng làm lõi cứng, tạo lớp vỏ ít bị ăn mòn và có kích thước nano trên lõi và cuối cùng là xử lý lõi một cách có chọn lọc tạo thành lỗ trống bên trong lớp vỏ (Hình 1.10) Trong đó, giai đoạn phủ lớp vỏ trên lõi, đòi hỏi sự tương thích giữa vật liệu lõi

và vỏ Do đó, trước khi phủ lớp vỏ thì bề mặt lõi được biến tính để tạo ra các tương tác vật lý và hóa học với tiền chất tạo lớp vỏ Cơ chế của phương pháp này là dựa trên sự khác biệt tính chất giữa phần lõi và phần vỏ, từ đó sử dụng chất ăn mòn thích hợp để loại bỏ phần lõi bên trong mà không ảnh hưởng đến phần vỏ bên ngoài Thực

tế thì phương pháp này được cải tiến từ phương pháp soft – template nhằm khắc phục hai khuyết điểm là khó kiểm soát quá trình tạo hạt và kích thước hạt Thay vì sử dụng các vật liệu mềm, phương pháp này sử dụng các vật liệu cứng thường là các hạt rắn

để tạo cấu trúc lõi bên trong nên có tên gọi khác là hard – template Các vật liệu cứng

Hình 1.10 Quy trình tổng hợp hợp hạt nano hình cầu bằng

phương pháp hard – template a) Lõi poly latex

Điểm nổi bật của polymer latex so với các vật liệu mềm là các hạt có kích thước cụ thể và có thể điều chỉnh được, các lõi poly latex hình cầu thường được dùng

để tạo thành lỗ rỗng [41] Xia và các cộng sự đã sử dụng lõi latex để chế tạo thành công hạt silica rỗng, tuy nhiên phần vỏ của hạt có cấu trúc vi mao quản Với phương pháp này, đường kính lỗ rỗng có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách chọn các lõi poly latex có kích thước khác nhau, trong khi độ dày lớp vỏ điều chỉnh bằng cách thay đổi tỉ lệ giữa silica/ latex trong quá trình tổng hợp [42, 43]

Năm 2008 Haiqing Li sử dụng lõi polystyrene (PS) hình cầu trong tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng [44] Hay năm 2011, Qiu và cộng sự cũng sử dụng hạt keo polystyrene (PS) mang điện âm để hỗ trợ quá trình tự lắp ghép (self-assembly) giữa silica vô cơ và micell chất hoạt động bề mặt trong môi trường pH > 12 Trong

đó, chất bề mặt định hướng sắp xếp vỏ có cấu trúc mao quản, PS giữ vai trò lõi Sau

đó loại bỏ lõi và chất hoạt động bề mặt bằng cách nung ở nhiệt độ cao tạo thành các hạt nano silica rỗng hình cầu [45]

b) Lõi hạt carbon rắn

Các nhà khoa học cũng sử dụng các hạt carbon rắn đơn phân tán để định hình phần lõi bên trong, các hạt này được tổng hợp từ glucose dưới điều kiện thủy nhiệt tại 160 – 180oC [46] Sau đó lõi carbon rắn có thể được xử lý khi nung tại nhiệt độ

550oC trong 6 giờ và khử trong 5% H2/95% Ar tại 400oC trong 2 giờ [47]

c) Lõi nano silica hình cầu

Cùng với latex và hạt carbon rắn, một vật liệu cứng thường được sử dụng để định hình cấu trúc lõi là hạt silica rắn, được tổng hợp từ chính tiền chất chứa silica

Ưu điểm của SiO2 chính là độ tinh khiết của sản phẩm so với những vật liệu khác và

không cần phải chức hóa bề mặt trước khi thực hiện phủ vỏ Ngoài ra, phương pháp Stober để tạo nên nano silica rắn đã có từ năm 1968, được các nhà khoa học hoàn thiện dần theo thời gian và cho thấy sự hiệu quả đến ngày nay Bằng cách kết hợp với phương pháp Stober, quá trình tăng trưởng Giesche và phương pháp Kaise đã tạo nên hạt nano silica hình cầu đơn phân tán có cấu trúc lõi – vỏ gồm lõi là SiO2 rắn và lớp

vỏ silica cấu trúc mao quản Trong đó, lớp vỏ được tạo thành bởi quá trình sol – gel TEOS và octadecyltrimethoxysilane (C18TMS), sau đó loại bỏ các chất hữu cơ tạo thành cấu trúc mao quản và loại bỏ lõi rắn để tạo thành lỗ rỗng Điểm khác biệt duy nhất là SiO2 có thể được loại bỏ bằng môi trường bazơ thay vì phải dùng nhiệt như hai phương pháp trên có thể ảnh hưởng đến cấu trúc HMSN tạo thành [48]

d) Một số lõi rắn khác

Ngoài các lõi rắn được đề cập ở trên, một vài oxide vô cơ hoặc oxide kim loại cũng có thể được sử dụng làm lõi rắn, chẳng hạn như α-Fe2O3 [49] Ngoài ra, bằng cách sử dụng các hạt nano hydroxyapatite (HA) như là lõi rắn, có thể được loại bỏ bằng cách ăn mòn, đã tạo nên hạt nano silica rỗng Hình thái và kích thước của HMSN

có thể được kiểm soát tốt và điều chỉnh theo tính chất của lõi HA [50] hay lõi là CaCO3 hình cầu [51]

Phương pháp soft– template

Trong phương pháp soft– template, các hạt nano silica cấu trúc rỗng được tổng hợp từ các khuôn mềm như micell, các giọt nhũ tương trong một chất lỏng hai pha [52], tập hợp nhiều polymer [53], bong bóng khí [54],… để tạo cấu trúc lõi bên trong, bên ngoài được phủ một lớp vỏ mao quản là sự kết hợp giữa chất hoạt động bề mặt

và tiền chất Sau đó các khuôn mềm sẽ bị loại bỏ để tạo nên khoảng trống bên trong

và HMSN được hình thành Điểm chung của các vật liệu mềm này là rất dễ loại bỏ thậm chí ở điều kiện thường và đó cũng là nguyên nhân mà phương pháp soft – template không được sử dụng nhiều Việc các vật liệu mềm dễ bị loại bỏ dẫn đến khó khăn cho các nhà khoa học trong việc kiểm soát quá trình tạo hạt Nguyên nhân thứ hai là các vật liệu mềm này có kích thước nhỏ và khả năng mở rộng không cao nên phạm vi ứng dụng hẹp, không thể mang các phân tử có kích thước lớn [40]

Các hạt micell được cấu tạo từ các chất hoạt động bề mặt là vật liệu mềm thường được sử dụng nhất trong phương pháp soft – template vì nó có độ bền cao

Cơ chế của phương pháp này dựa trên hệ nhũ tương dầu trong nước (O/W) Hệ này

(pha dầu) được nhỏ giọt vào dung dịch trên, vì có tính chất kị nước nên tiền chất silica

sẽ nằm bên trong cấu trúc micell Tuy nhiên, dung dịch kiềm sẽ thủy phân chậm tiền chất silica làm chúng trở nên ưa nước và ngưng tụ lại trên bề mặt các micell Cuối cùng, các chất hoạt động bề mặt bị loại bỏ và tạo thành HMSN [35, 55]

Phương pháp self – template

Phương pháp self – template được báo cáo gần đây, gồm hai giai đoạn: (i) Tổng hợp các hạt nano giữ vai trò là “khuôn”, (ii) Chuyển những khuôn này thành cấu trúc rỗng Không giống như các phương pháp tạo khuôn thông thường, các khuôn theo phương pháp này không chỉ cung cấp khuôn để tạo thành cấu trúc rỗng mà còn trực tiếp tham gia vào sự hình thành lớp vỏ Các khuôn có cùng thành phần với vật liệu vỏ hoặc cuối cùng sẽ biến đổi hóa học thành vật liệu vỏ Phương pháp này dự kiến sẽ cung cấp một quy trình đơn giản và hiệu quả hơn về chi phí sản xuất vật liệu rỗng Tuy nhiên cũng có những thách thức đặt ra như độ ổn định của hạt, độ phân tán [56, 57]

1.1.9 Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng

Các phương pháp biến tính bề mặt nano silica

Bề mặt nano silica với các nhóm silanol trên bề mặt nên cần được biến tính với các nhóm chức hoạt động, là tiền đề cho các phản ứng biến tính bề mặt với các phân tử hữu cơ khác Các phương pháp biến tính bề mặt nano silica bao gồm phương pháp đồng ngưng tụ “co-condensation” và phương pháp grafting [58]

a) Phương pháp đồng ngưng tụ (tổng hợp trực tiếp)

Phương pháp này lần đầu tiên được đề xuất bởi Burkett và cộng sự Quá trình tổng hợp được thực hiện bằng cách đồng ngưng tụ tetraalkoxysilanes có thể là TEOS

và trialkoxyorganosilanes chẳng hạn như APTES thể hiện qua Sơ đồ 1.4 và Hình 1.11 [59, 60]

Sơ đồ 1.4 Sơ đồ biến tính bề mặt nano silica với phân tử hữu cơ bằng phương pháp

Sơ đồ 1.5 Sơ đồ biến tính bề mặt nano silica với phântử hữu cơ bằng

phương pháp grafting

Hình 1.12 Phương trình phản ứng theo phương pháp grafting Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với methoxy ethyleneglycol (mPEG)

a) Hoạt hóa mPEG bằng p-nitrophenyl chloroformate

Phản ứng thế thân hạch trên carbon của nhóm carbonyl diễn ra thuận lợi ở nhiệt độ 60 - 65ºC

Hình 1.13 Phản ứng hoạt hóa mPEG bằng p-nitrophenyl chloroformate

Phản ứng xảy ra theo cơ chế tương tự như phản ứng ester hóa Trong cấu trúc của tác chất p-nitrophenyl chloroformate (NPC), liên kết C=O có tính chất không no

và bị phân cực mạnh về phía oxy, làm xuất hiện một phần điện tích dương trên nguyên

tử carbon, tạo ra một trung tâm thân điện tử

Hình 1.14 Trung tâm thân điện tử trên nhóm carbonyl

Trong khi đó, trên nguyên tử oxy của nhóm –OH của phân tử mPEG còn hai đôi điện tử tự do, nên nguyên tử oxy có vai trò như tác nhân ái nhân Trung tâm thân điện tử trên nguyên tử carbon của phân tử NPC gặp tác nhân ái nhân trên phân tử mPEG sẽ tương tác với nhau và tạo thành sản phẩm mPEG-NPC

Điều đáng chú ý là tác nhân NPC có hoạt tính rất mạnh, dễ bị thủy phân trong môi trường có nước Do đó, để đạt được hiệu suất phản ứng tốt nhất, phản ứng phải được thực hiện trong môi trường khan nước và trong môi trường nitơ khô, tất cả các dung môi phải được làm khan trước khi dùng

b) Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với mPEG

Do tác động của hiệu ứng hút điện tử từ nhóm nitrophenyl lên liên kết ester trong phân tử mPEG-NPC, làm cho liên kết carbonyl bị phân cực mạnh, kết quả làm carbon trên nhóm carbonyl trở nên dương điện hơn Khi có mặt của tác nhân thân hạch như nhóm amino trên bề mặt các hạt silica cấu trúc rỗng, nitơ trên nhóm amino còn dư một cặp electron chưa liên kết nên có khả năng gắn lên carbon dương điện, đồng thời đẩy nhóm nitrophenolate để hình thành sản phẩm nano silica cấu trúc rỗng

đã phủ polyethylene glycol và sản phẩm phụ p-nitrophenol

Hình 1.15 Phản ứng biến tính mPEG đã hoạt hóa lên bề mặt HMSN

1.2 THUỐC TRỊ UNG THƯ DOXORUBICIN

1.2.1.Giới thiệu thuốc Doxorubicin

Doxorubicin được bán dưới tên thương mại Adriamycin cùng với một số những tên khác, là một loại thuốc hóa trị liệu được sử dụng để điều trị ung thư Doxorubicin được tiêm vào tĩnh mạch Đây là một loại kháng sinh gây độc tế bào thuộc nhóm anthracyclin, bao gồm một đơn vị đường amino là daunosamin liên kết

của DNA Bằng cách liên kết với nhiều phân tử mục tiêu như enzym topoisomerase

I và II, một loạt các hiệu ứng gây độc tế bào xảy ra cùng với phản ứng tăng sinh, do

đó đẫn đến tổn thương DNA Ngoài ra, doxorubicin cũng được biết là tự đan xen vào DNA, với sự ức chế cả DNA và RNA, kết quả là ngừng sao chép DNA và phiên mã RNA [63-65]

Hình 1.16 (1) Cấu trúc hóa học và (2) ảnh hưởng của doxorubicin

đến sự chết tế bào

Doxorubicin được chấp thuận cho sử dụng y tế tại Hoa Kỳ vào năm 1974 Nó nằm trong danh sách các thuốc thiết yếu của Tổ chức Y tế Thế giới, tức là nhóm các loại thuốc hiệu quả và an toàn nhất cần thiết trong một hệ thống y tế [66] Doxorubicin được sử dụng để điều trị bệnh ung thư vú, ung thư bàng quang, sarcoma Kaposi, ung thư hạch và ung thư bạch cầu lympho cấp tính

1.2.2 Tác dụng phụ

Doxorubicin là một chất hóa trị liệu hiệu quả giúp tăng khả năng sống sót của bệnh nhân ung thư, nhưng việc sử dụng nó bị cản trở do độc tính trên tim Độc tính trên tim, một tác dụng phụ rõ ràng của doxorubicin, có thể xuất hiện hai mươi năm sau khi điều trị như một tác dụng phụ cấp tính hoặc mãn tính Tác dụng phụ này đặc biệt đáng kể đối với trẻ em đã được điều trị bằng doxorubicin Ngoài ra, rụng tóc cũng là tác dụng phụ thường gặp hay buồn nôn, các vấn đề về đường tiêu hóa và rối loạn hệ thần kinh (thường gây ra ảo giác và choáng váng) [63, 65]

Để tăng hiệu quả điều trị và giảm các tác dụng phụ của thuốc doxorubicin như

đã nêu trên, phương pháp đưa thuốc vào hệ chất mang nano để tạo thành hệ phân phối thuốc hướng đích được sự quan tâm của các nhà khoa học

1.3 MỘT SỐ POLYMER ĐƯỢC SỬ DỤNG BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO SILICA CẤU TRÚC RỖNG

1.3.1 Poly ethylene glycol

Poly ethylene glycol

Poly (ethylene glycol) (PEG) hay gọi là poly (ethylene oxide) (PEO) Poly ethylene glycol (PEG) là một polymer tương thích sinh học, không độc, tan trong nước và là polymer được dùng nhiều nhất trong vật liệu sinh học, công nghệ sinh học

và thuốc được FDA (Food and Drug Administration) phê duyệt sử dụng Trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc, hệ PEG – thuốc để tăng cường khả năng hòa tan, kéo dài thời gian lưu thông trong cơ thể, giảm sự đào thải qua thận, giảm độ độc và thay đổi sự phân bố sinh học [67]

Ứng dụng của các loại PEG trong y sinh

Bảng 1.1 Các loại PEG liên hợp và ứng dụng