Nghiên cứu tổng hợp và biến tính nano silica cấu trúc rỗng với PEG, định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư (tt)

THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI Tên đề tài Nghiên cứu tổng hợp và biến tính nano silica cấu trúc rỗng với PEG, định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư... Trong nghiên cứu này, các hạt na

THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

Tên đề tài

Nghiên cứu tổng hợp và biến tính nano silica cấu trúc rỗng với PEG, định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư

Lĩnh vực nghiên cứu

- Lĩnh vực: Các vật liệu Nano (sản xuất và các tính chất)

- Mã lĩnh vực: 21001

(Từ tháng 12/2018 đến tháng 12/2020)

Kinh phí

196.709.920 đồng Trong đó:

- Từ ngân sách sự nghiệp khoa học: 196.709.920 đồng

- Từ nguồn tự có/khác: 0 đồng

Chủ nhiệm đề tài/dự

án

- NGUYỄN THỊ NGỌC TRĂM

- Học hàm/Học vị: Cử nhân

- Chức vụ: Không

- Chức danh nghề nghiệp: Giảng viên

- Đơn vị công tác: BM Ứng dụng chất dẻo linh hoạt

và Vật liệu nano – Khoa Hóa học ứng dụng

- - Email: tram06@tvu.edu.vn

- Điện thoại: 0939 494 768

Thành viên thực hiện

chính

NGUYỄN THỊ NGỌC HUYỀN

- Học hàm/Học vị: Thạc sĩ

- Chức vụ: Không

- Chức danh nghề nghiệp: Giảng viên

- Đơn vị công tác: Bộ môn Dược – Khoa Y dược

- - Email: ntnhuyen@tvu.edu.vn

- Điện thoại: 0907 284 416

PHẠM THỊ THÚY LOAN

- Học hàm/Học vị: Thạc sĩ

- Chức vụ: Trưởng khoa

- Chức danh nghề nghiệp: Giảng viên

- Đơn vị công tác: Khoa Dự bị Đại học

- Email: pttloan@tvu.edu.vn

- Điện thoại: 0918 703 298

Thành viên thực hiện

MAI THỊ THÙY LAM

- Học hàm/Học vị: Cử nhân

- Chức vụ: Không

- Chức danh nghề nghiệp: Giảng viên

- Đơn vị công tác: BM Ứng dụng chất dẻo linh hoạt

và Vật liệu nano – Khoa Hóa học ứng dụng

- - Email: nghieplam2011@tvu.edu.vn

- Điện thoại: 01656013990 HUỲNH THỊ HỒNG HOA

- Học hàm/Học vị: Kỹ sư

- Chức vụ: Không

- Chức danh nghề nghiệp: Giảng viên

- Đơn vị công tác: BM Ứng dụng chất dẻo linh hoạt

và Vật liệu nano – Khoa Hóa học ứng dụng

- - Email: hoahuynh@tvu.edu.vn

- Điện thoại: 01684019009

Cố vấn khoa học

NGUYỄN ĐẠI HẢI

- Học hàm/Học vị: PGS.Tiến sĩ

- Chức vụ: Phó Viện trưởng

- Đơn vị công tác: Phòng Vật liệu Y Sinh – Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng – Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- - Email: ntnhuyen@tvu.edu.vn

- Điện thoại: 0939 866 778

Tổ chức / đơn vị phối

hợp chính

Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng – Viện hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Họ và tên thủ trưởng tổ chức: Trần Ngọc Quyển

- Điện thoại: 028.3843507 Fax: 028.38236073

- Địa chỉ: 01A, TL29, Thạnh Lộc, Quận 12, Tp.HCM

TÓM TẮT

Hiện nay, việc sử dụng các hạt nano làm “vật tải” trong việc điều trị bệnh ung thư đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nhằm giảm tác dụng phụ của thuốc

và tăng hiệu quả điều trị Từ năm 2000, nano silica là vật liệu phổ biến cho ứng dụng y sinh Trong nghiên cứu này, các hạt nano silica cấu trúc rỗng HMSN (hollow mesoporous silica nanoparticles) được tổng hợp bằng phương pháp hard – template với tiền chất chứa silic là tetraethyl orthosilicate (TEOS) Ngoài ra, cetyltrimethylamnonium bromide (CTAB) giữ vai trò là khuôn để tạo

ra lớp vỏ mao quản Sau đó, bề mặt của nano silica được biến tính với PEG để tạo thành hệ dẫn truyền thuốc có tính tương thích sinh học cao, ít độc, đặc biệt

là kéo dài thời gian phóng thích thuốc Hình thái, kích thước vật liệu được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Diện tích bề mặt được đánh giá bằng phương pháp hấp phụ - khử hấp phụ khí N2 và một số phương pháp khác bao gồm phổ hồng ngoại (FTIR), phân tích nhiệt khối lượng (TGA), nhiễu

xạ tia X (XRD) Doxorubicin (Dox) là thuốc được dùng để đánh giá hệ dẫn chất mang được tổng hợp Cuối cùng, lượng Dox được nang hóa và phóng thích được xác định bằng phương pháp phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV-Vis) Kết quả cho thấy hệ chất mang nano silica biến tính với PEG là vật liệu dẫn truyền thuốc đầy tiềm năng

Nowadays, the usage of nanoparticles as "carriers" in cancer treatment has been attracting scientific interests, in order to reduce drugs’ side effects and increase treatments’ efficiency Since 2000, nano silica has been a well-known materials for biomedical applications In this study, hollow mesoporous silica nanoparticles (HMSN) were synthesized via a hard-template method using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as the silica precursor In addition, cetyltrimethylamnonium bromide (CTAB) was applied as the mesoporous structure template in the shell Nanosilica surface was then modified by polyethylene glycol (PEG) to form a highly biocompatible, less toxic, especially for long-term usage, drug delivery The morphology and size of these nanoparticles were characterized using TEM (Transmission Electron Microscope) The surface area was also investigated by N2

adsorption/desorption measurements and some experiments such as fourier-transformed infrared (FTIR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction spectroscopy (XRD) Doxorubicin was used as a drug for the evaluation of the synthesized delivery system Finally, the amount of loaded and released doxorubicin were evaluated by UV-Vis visible ultraviolet absorption spectroscopy The results indicated that hollow mesoporous nanosilica modified by PEG (HMSN-PEG) is a promising drug delivery system

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ………i

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ……… ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ……… iv

LỜI CẢM ƠN ……… v

CHƯƠNG 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết 1

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.3 Mục tiêu 6

1.3.1 Mục tiêu chung/tổng quát 6

1.3.2 Mục tiêu cụ thể 6

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 6

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.5.1 Tổng hợp hạt nao silica cấu trúc rỗng 7

1.5.2 Biến tính mPEG trên bề mặt nano silica cấu trúc rỗng 9

1.6 Phương pháp phân tích tính chất và cấu trúc vật liệu 12

1.7 Đánh giá khả năng nang hóa thuốc của hệ chất mang HMSN và HMSN-mPEG 12

1.8 Khảo sát tốc độ phóng thích thuốc Doxorubicin của hệ HMSN/Dox, HMSN-mPEG/Dox 13

1.9 Đánh giá độ độc tế bào 14

CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP NANO SILICA RỖNG 15

2.1 Kết quả hình thái và điện tích bề mặt của lõi, lớp vỏ và hạt nano silica rỗng 15

2.2 Kết quả đánh giá tính chất đặc trưng hạt nano silica rỗng (HMSN) 16

CHƯƠNG 3 BIẾN TÍNH PEG TRÊN BỀ MẶT NANO SILICA CẤU TRÚC RỖNG 18

3.1 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm amine 18

3.2 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với PEG 18

3.2.1 Hoạt hóa mPEG bằng p-nitrophenyl chloroformate 18

3.2.2 Kết quả biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với mPEG 19

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG MANG VÀ PHÓNG THÍCH THUỐC CỦA CÁC HỆ CHẤT MANG 23 4.1 Đánh giá hiệu quả và khả năng mang thuốc của hệ chất mang 23 4.2 Đánh giá khả năng phóng thích thuốc của hệ chất mang 23 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ ĐỘC TÍNH TẾ BÀO CỦA CHẤT MANG NANO DẪN TRUYỀN THUỐC DOX 24

PHẦN KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ……… 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 27 PHỤ LỤC

i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ viết đầy đủ

HMSN Hollow mesoporous silica nanoparticles MSN Mesoporous silica nanoparticles

MCM-41 Mobil Composition of Materials no 41 SBA-15 Santa Barbara Amorphous

PEG Polyethylene glycol

CTAB Cetytrimethylammonium bromide

NPC p-nitrophenyl chloroformate

APTES (3-aminopropyl)-triethoxysilane

TEOS Tetraethoxysilane

FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy TGA Thermal Gravimetry Analysis

SEM Scanning Electron Microscopy

TEM Tranmission Electron Microscopy

XRD X-ray Diffraction

BET Brunauer-Emmet-Teller

UV-Vis Ultraviolet Visible Spectroscopy

FDA Food and Drug Administration

ii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ảnh TEM và biểu đồ thể hiện khả năng tải thuốc của HMSN và HMSN đã

được biến tính bề mặt 2

Hình 1.2 Ảnh TEM của HMSN với kích thước lỗ rỗng khác nhau 2

Hình 1.3 Ảnh TEM của hạt HMSN tổng hợp trên khuôn hạt nano cầu BtBA 3

Hình 1.4 Quy trình tổng hợp và đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của hạt HMSN 4

Hình 1.5 Phổ FTIR (a) và ảnh chụp TEM (b) của hạt HMSN 5

Hình 1.6 Sơ đồ quy trình tổng hợp HMSNs-PDA-PEG@QD 6

Hình 1.7 Sơ đồ tổng hợp hạt nano silica rỗng 7

Hình 1.8 Quy trình tổng hợp SiO2 7

Hình 1.9 Quy trình tổng hợp SiO2@CTAB/SiO2 8

Hình 1.10 Quy trình tổng hợp HMSN 9

Hình 1.11 Quy trình tổng hợp mPEG-NPC 10

Hình 1.12 Quy trình tổng hợp HMSN-NH2 11

Hình 1.13 Quy trình tổng hợp HMSN-mPEG 11

Hình 1.14 Sơ đồ nang hóa thuốc Doxorubicine của hệ chất mang 12

Hình 1.15 Sơ đồ phóng thích thuốc của hệ chất mang – thuốc 14

Hình 2.1 Ảnh TEM và thống kê kích thước hạt từ ảnh TEM của SiO2 (a, a’), SiO2@SiO2/CTAB (b, b’), HMSN (c, c’) 15

Hình 2.2 Thế zeta của SiO2, SiO2@SiO2/CTAB và HMSN 16

Hình 2.3 Phổ hồng ngoại của HMSN 16

Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X góc rộng của HMSN 16

Hình 2.5 Giản đồ phân tích nhiệt của HMSN 17

Hình 2.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của HMSN 17

Hình 3.1 Ảnh TEM và sự phân bố kích thước hạt của HMSN-NH2 18

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của mPEG-NPC 18

Hình 3.3 Ảnh SEM (a,c), TEM (b,d) và phân bố kích thước hạt (b’,d’) của các hạt HMSN và HMSN-mPEG 19

Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X góc rộng của HMSN (a), APTES (b), HMSN-NH2 (c), and HMSN-mPEG (d) 19

Hình 3.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại của (a) HMSN-mPEG, (b)mPEG 20

Hình 3.6 Thế zeta của HMSN và HMSN-mPEG 21

Hình 3.7 Giản đồ nhiệt trọng trường của mẫu HMSN, mPEG 21

Hình 3.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 của HMSN-mPEG 22

iii

Hình 4.1 Biểu đồ phóng thích thuốc của các hệ chất mang/Dox gồm HMSN/Dox, và HMSN-mPEG/Dox theo thời gian 23 Hình 5.1 Đường cong độ độc tế bào HCC J5 của các hệ chất mang 24 Hình 5.2 Đường cong độ độc tế bào HCC J5 của các hệ chất mang – thuốc 24 Hình 5.3 Tế bào HCC J5 được xử lý bởi HMSN, HMSN-mPEG tại các nồng độ khác nhau; Dox, HMSN-mPEG/Dox tại các nồng độ Dox khác nhau 25

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Kết quả phân tích BET của các hạt HMSN tổng hợp trên các “khuôn” khác nhau (a) Fe3O4, (b) Fe2O3, (c) PS và (d) RF 3 Bảng 4.1 Khả năng mang thuốc của HMSN và HMSN-mPEG 23

v

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới trường Đại học Trà Vinh đã cấp kinh phí và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài (Hợp đồng thực hiện đề tài Khoa học và Công nghệ số 177/HĐ.HĐKH-ĐHTV)

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của phòng Khoa học và Công nghệ - Trường Đại học Trà Vinh đối với tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của lãnh đạo và đồng nghiệp Khoa Hóa học Ứng dụng - Trường Đại học Trà Vinh đối với tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng đối với tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Đại Hải – Phó Viện trưởng - Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng, người Thầy đã dành cho tôi sự động viên giúp đỡ tận tình và những định hướng khoa học hiệu quả trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Thị Ngọc Trăm

1

CHƯƠNG 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết

Ung thư vẫn là một trong những căn bệnh nguy hiểm nhất thế giới, với hơn 10 triệu trường hợp mới phát hiện mỗi năm Tuy nhiên, tỉ lệ tử vong đã giảm trong hai năm trở lại đây do sự hiểu biết tốt hơn về đặc tính sinh học các khối u, cải thiện các thiết bị chuẩn đoán và phương pháp điều trị Những phương pháp điều trị bệnh ung thư hiện nay bao gồm can thiệp phẫu thuật, xạ trị và các loại thuốc hóa trị liệu, thường cũng tiêu diệt tế bào lành và gây độc cho bệnh nhân Do đó, việc phát triển phương pháp hóa trị liệu có thể hướng đích thụ động hay chủ động đến tế bào ung thư nhằm tăng hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Chẳng hạn, hướng đích thụ động dựa trên các đặc tính sinh học đặc trưng của các khối u, theo đó cho phép các chất mang nano tích lũy trong khối u bằng hiệu ứng thẩm thấu và lưu giữ tăng cường (EPR) [1, 2]

Ngày nay, công nghệ nano nhanh chóng được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực khoa học công nghệ như điện tử, hàng không vũ trụ, quốc phòng và đặc biệt là trong y khoa Điều này liên quan đến việc thiết kế, tổng hợp và ứng dụng vật liệu ở kích thước nano Ở cấp độ nano nên vật liệu sẽ có tính chất lý, hóa, sinh học khác với vật liệu khối ban đầu Do đó, nó cung cấp cơ hội để phát triển các vật liệu tiên tiến mới đáp ứng yêu cầu của cuộc sống [3]

Thuộc loại vật liệu vô cơ, nano silica có nhiều đặc tính tốt như: diện tích

bề mặt lớn, ổn định nhiệt, không độc hại, có độ chọn lọc và tính bền vững cao khi kết hợp với thuốc Ở kích thước 20-200 nm, chúng có đủ hiệu quả trong việc phân phối thuốc, đủ nhỏ để tránh sự hấp thu bởi hệ thống lưới nội mô Ngoài ra, nano silica có tính tương thích sinh học với nhiều chất hữu cơ khác nhau, ở một kích thước thích hợp, các hạt nano silica có thể được đào thải ra khỏi cơ thể thông qua thận Có hai dạng nano silica được chú ý nhiều nhất là nano silica cấu trúc xốp MSN (Mesoporous silica nanoparticle) và nano silica cấu trúc rỗng HMSN (Hollow Mesoporous silica nanoparticle) [32,33,34] Theo kết quả nghiên cứu của giáo sư Shi và các cộng sự, HMSN là hạt nano silica có

cả tính chất của MSN (cấu trúc mao quản) và vật liệu có một khoảng trống ở bên trong, thế nên HMSN là một vật liệu phù hợp cho hệ dẫn truyền mới mẽ này [26]

Lớp vỏ là vật liệu hữu cơ ưa nước như polyethylene glycol (PEG) cho thấy hiệu quả tốt trong việc ngăn chặn sự hấp thu của protein và cản trở sự nhả thuốc khi không cần thiết trong hệ tuần hoàn [20] Do đó PEG được sử dụng biến tính trên bề mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng để hạn chế thuốc bị rò rỉ và điều chỉnh

sự phóng thích thuốc của hệ chất mang [2] Từ những phân tích trên cho thấy

đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và biến tính nano silica cấu trúc rỗng với PEG, định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư” sẽ góp phần nâng cao hiệu

quả mang thuốc của hệ chất mang này

27

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] D Peer, J.M Karp, S Hong, O.C Farokhzad, R Margalit, R Langer, Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy, Nature nanotechnology, 2 (2007) 751

[2] S Wu, X Huang, X Du, pH-and redox-triggered synergistic controlled release

of a ZnO-gated hollow mesoporous silica drug delivery system, Journal of Materials Chemistry B, 3 (2015) 1426-1432

[3] I.A Rahman, V Padavettan, Synthesis of silica nanoparticles by sol-gel: size-dependent properties, surface modification, and applications in silica-polymer nanocomposites—a review, Journal of Nanomaterials, 2012 (2012)

[4] W Fang, L Ma, J Zheng, C Chen, Fabrication of silver-loaded hollow mesoporous aluminosilica nanoparticles and their antibacterial activity, Journal of Materials Science, 49 (2014) 3407-3413

[5] X She, L Chen, C Li, C He, L He, L Kong, Functionalization of hollow mesoporous silica nanoparticles for improved 5-FU loading, Journal of Nanomaterials, 2015 (2015)

[6] Y Li, N Li, W Pan, Z Yu, L Yang, B Tang, Hollow mesoporous silica nanoparticles with tunable structures for controlled drug delivery, ACS applied materials & interfaces, 9 (2017) 2123-2129

[7] S Ghasemi, Z.J Farsangi, A Beitollahi, M Mirkazemi, S Rezayat, S Sarkar, Synthesis of hollow mesoporous silica (HMS) nanoparticles as a candidate for sulfasalazine drug loading, Ceramics International, 43 (2017) 11225-11232

[8] Z.U Rahman, N Wei, Z Li, W Sun, D Wang, Preparation of hollow mesoporous silica nanospheres: controllable template synthesis and their application in drug delivery, New Journal of Chemistry, 41 (2017) 14122-14129

[9] C Zea, J Alcántara, R Barranco-García, M Morcillo, D De la Fuente, Synthesis and characterization of hollow mesoporous silica nanoparticles for smart corrosion protection, Nanomaterials, 8 (2018) 478

[10] L Huang, J Liu, F Gao, Q Cheng, B Lu, H Zheng, H Xu, P Xu, X Zhang,

X Zeng, A dual-responsive, hyaluronic acid targeted drug delivery system based on hollow mesoporous silica nanoparticles for cancer therapy, Journal of Materials Chemistry B, 6 (2018) 4618-4629

[11] M Khoeini, A Najafi, H Rastegar, M Amani, Improvement of hollow mesoporous silica nanoparticles synthesis by hard-templating method via CTAB surfactant, Ceramics International, 45 (2019) 12700-12707