Khóa luận tốt nghiệp: Thử nghiệm tương tác của vật liệu micro nano với protein

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Thử nghiệm tương tác của vật liệu micro nano với protein" nghiên cứu nhằm xác định được khả năng gắn các protein/peptide lên hệ vật liệu micro/nanoPMO theo thời gian và nồng độ bằng phương pháp hấp phụ vật lý; so sánh được khả năng gắn các protein/peptide của từng loại vật liệu PMO trong dung dịch đệm có pH khác nhau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Thử nghiệm tương tác của vật liệu micro nano với protein

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC TRƯƠNG THỊ TRANG THỬ NGHIỆM TƯƠNG TÁC CỦA VẬT LIỆU MICRO/NANO VỚI PROTEIN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC HỌC Hà Nội – 2022
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC TRƯƠNG THỊ TRANG THỬ NGHIỆM TƯƠNG TÁC CỦA VẬT LIỆU MICRO/NANO VỚI PROTEIN KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC HỌC KHOÁ: QH.2017.Y Người hướng dẫn: PGS.TS. Vũ Thị Thơm ThS.BSNT. Lê Thị Minh Phương Hà Nội – 2022
LỜI CẢM ƠN Vượt qua những khó khăn và trở ngại của đại dịch COVID-19, dưới sự hướng dẫn và hỗ trợ kịp thời của các thầy, cô, em may mắn được thực hiện và hoàn thành đề tài Khóa luận tốt nghiệp “Thử nghiệm tương tác của vật liệu micro/nano với protein”. Đó là sự biết ơn và niềm tự hào rất lớn của bản thân em. Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu trường Đại học Y Dược, bộ môn Y Dược học cơ sở - trường Đại học Y dược, khoa Công nghệ Nông nghiệp – trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN), các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Em xin bày tỏ sự nhớ ơn đặc biệt đến PGS.TS Vũ Thị Thơm, TS. Lê Thị Hiên và ThS.BSNT. Lê Thị Minh Phương – những người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để em có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Cảm ơn đề tài “Hợp tác nghiên cứu kỹ thuật định lượng một số biomarker ở bệnh nhân bị bệnh võng mạc đái tháo đường” thuộc nhiệm vụ KHCN theo Nghị định thư Mã số: NĐT.69.CHN/19 đã bảo trợ cho nghiên cứu. Bên cạnh đó, sự quan tâm, giúp đỡ của gia đình, bạn bè và người thân đã luôn là nguồn động lực lớn lao, tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung nghiên cứu và hoàn thành đề tài. Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng trong đề tài nghiên cứu này không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong Quý thầy cô, các chuyên gia, những người quan tâm đến đề tài, gia đình và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn. Sinh viên Trương Thị Trang .
MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ..................................................................................... 3 1.1. Tổng quan về vật liệu micro/nano ............................................................3 1.1.1. Định nghĩa khoa học nano và công nghệ nano ..............................3 1.1.2. Vật liệu micro/nano........................................................................3 1.1.3. Vật liệu Periodic mesoporous organosilicas (PMOs) ....................5 1.2. Tổng quan về các loại protein sử dụng trong nghiên cứu .......................12 1.2.1. Albumin huyết thanh bò - Bovine serum albumin (BSA) ...........12 1.2.2. Insulin...........................................................................................13 1.2.3. Trypsin .........................................................................................15 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu micro/nano ứng dụng trong y học ..........16 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới...............................................16 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................17 CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 18 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................. 18 2.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................18 2.2. Thời gian, địa điểm nghiên cứu: .............................................................18 2.3. Quy trình nghiên cứu ..............................................................................18 2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu .........................................................................18 2.4.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị .......................................................19 2.5.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu ....................................................21 2.5.4. Phương pháp khảo sát khả năng gắn các protein/peptide lên các vật liệu PMO ...........................................................................................................23 2.6. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu ..................................................28 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ.......................................................................................... 30 3.1. Xây dựng đường chuẩn nồng độ protein.................................................30 3.1.1. BSA ..............................................................................................30 3.1.2. Insulin/Trypsin .............................................................................31 3.2. Khả năng tương tác của các protein với các vật liệu PMO.....................32
3.2.1. BSA ..............................................................................................32 3.2.2. Insulin...........................................................................................35 3.2.3. Trypsin .........................................................................................37 3.3. So sánh khả năng hấp phụ protein của các vật liệu nghiên cứu..............39 3.3.1. Khả năng hấp phụ các protein phụ thuộc pH dung dịch đệm ......39 3.3.2. Sự khác nhau về khả năng hấp phụ protein BSA của vật liệu microPMO và nanoPMO ..................................................................................41 3.3.3. Khả năng hấp phụ các protein của hệ vật liệu nanoPMO ............42 CHƯƠNG 4 – BÀN LUẬN ...................................................................................... 44 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 49
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ BSA Bovine serum albumin (Albumin huyết thanh bò) PMO Periodic mesoporous organosilica (vật liệu organosilica trung tính định kỳ) MicroPMO Periodic mesoporous organosilica kích thước micromet NanoPMO Periodic mesoporous organosilica kích thước nanomet MPA Periodic mesoporous organosilica kích thước micromet gắn –NH2 MPC Periodic mesoporous organosilica kích thước micromet gắn -COOH MPT Periodic mesoporous organosilica kích thước micromet trung tính NPA Periodic mesoporous organosilica kích thước nanomet gắn -NH2 NPC Periodic mesoporous organosilica kích thước nanomet gắn -COOH NPT Periodic mesoporous organosilica kích thước nanomet trung tính
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ............................... 19 Bảng 2.2. Danh mục dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu................................ 20 Bảng 2.3. Danh mục thiết bị sử dụng trong nghiên cứu ................................. 20 Bảng 2.4. Nồng độ BSA để khảo sát khả năng hấp phụ protein BSA của vật liệu ................................................................................................................... 26 Bảng 2.5. Nồng độ Insulin để khảo sát khả năng hấp phụ protein Insulin của vật liệu ............................................................................................................. 26 Bảng 2.6. Nồng độ Trypsin để khảo sát khả năng hấp phụ Trypsin của vật liệu ................................................................................................................... 27 Bảng 3.1. Nồng độ BSA đo được tại A280………………………………….30 Bảng 3.2. Nồng độ Insulin/Trypsin đo được tại A280………………………31 Bảng 4.1. Điện tích của các protein khảo sát: BSA, insulin, trypsin .............. 46
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Tổng hợp PMO từ tiền chất silic hữu cơ .....................................................6 Hình 1.2. Các ứng dụng của PMO – xúc tác sinh học, hấp phụ phân tử sinh học, phân phối thuốc ....................................................................................................................7 Hình 1.3. Phương pháp để cố định protein trên giá đỡ và các lực tương tác giữa protein và giá đỡ trong qua trình cố định protein[10] .............................................................8 Hình 1.4. Cấu trúc phân tử insulin người ..................................................................14 Hình 1.5. Cấu trúc tinh thể của Trypsin [20] ............................................................15 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu………………………………………18 Hình 2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu PMO trung tính……………………...21 Hình 2.3. Quy trình tổng hợp vật liệu PMO amin…………………………..22 Hình 2.4. Cơ chế tạo PMO carboxylic từ PMO amin………………………22 Hình 2.5. Máy đo quang phổ huỳnh quang Nanodrop 8000………………..23 Hình 2.6. Xác định pH bằng máy đo pH cầm tay……………………………24 Hình 2.7. Quy trình khảo sát tương tác của protein với vật liệu theo thời gian………………25 Hình 2.8. Quy trình khảo sát tương tác của protein với vật liệu theo nồng độ………………..28
DANH MỤC BIỂU ĐỒ Đường chuẩn nồng độ BSA .......................................................... 30 Đường chuẩn nồng độ Insulin/Trypsin ......................................... 31 Xu hướng hấp phụ BSA của microPMO theo thời gian ............... 32 Xu hướng hấp phụ BSA của vật liệu microPMO theo nồng độ BSA ban đầu ............................................................................................................ 33 Xu hướng hấp phụ BSA của vật liệu nanoPMO theo thời gian ... 34 Xu hướng hấp phụ BSA của vật liệu nanoPMO phụ thuộc nồng độ BSA ban đầu.................................................................................................... 35 Xu hướng hấp phụ Insulin của vật liệu nanoPMO theo thời gian 36 Lượng Insulin bị hấp phụ trên 1 gam vật liệu phụ thuộc nồng độ Insulin ban đầu ................................................................................................ 37 Xu hướng hấp phụ Trypsin của vật liệu nanoPMO theo thời gian38 Xu hướng hấp phụ Trypsin của vật liệu nanoPMO theo nồng độ Trypsin ban đầu ............................................................................................... 39 Lượng protein (Trypsin và BSA) hấp phụ lên vật liệu nanoPMO tại thời điểm 15 phút ....................................................................................... 40 So sánh khả năng hấp phụ protein BSA của vật liệu microPMO amin (MPA) và vật liệu nanoPMO amin (NPA) theo thời gian ..................... 41
So sánh khả năng hấp phụ BSA của vật liệu microPMO (MPA) và vật liệu nanoPMO (NPA) theo nồng độ BSA ban đầu ................................... 42 Khả năng hấp phụ các protein của hệ vật liệu nanoPMO tại thời điểm 15 phút .................................................................................................... 43
ĐẶT VẤN ĐỀ Y học hiện đại đang rất quan tâm phát hiện các marker sinh hóa có giá trị trong sàng lọc và chẩn đoán sớm một số bệnh lý như bệnh ung thư, đái tháo đường. Trong hầu hết các trường hợp, phân lập thành công phần protein khỏi dung dịch là chưa đủ. Thông thường, ở giai đoạn sớm của bệnh, nồng độ của các dấu chỉ sinh học cho các bệnh trong các dịch sinh học (như các peptide có hoạt tính sinh học trong cơ thể) thường là rất thấp nên rất khó để có thể phân tích được. Chính vì vậy, tăng nồng độ của các dấu chỉ sinh học trước khi phân tích là một bước rất quan trọng giúp tăng độ nhạy và độ chính xác của các kỹ thuật phân tích phát hiện tiếp sau đó. Để khắc phục những vấn đề này, việc sử dụng các công nghệ phân tách đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm độ phức tạp của mẫu. Làm giàu protein là một kỹ thuật trong đó các protein quan tâm trong một mẫu sinh học được tập trung để thuận lợi hơn cho việc định lượng và phân tích. Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm gần đây cho thấy, vật liệu PMO là vật liệu có tiềm năng rất lớn cho nghiên cứu làm giàu có chọn lọc và phân tách các phân tử sinh học, làm cho chúng có triển vọng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm hấp phụ, xúc tác, phân phối thuốc và công nghệ nano trong y học cá thể[9]. PMO có thể là các hình dạng cầu có kích thước micromet (viết tắt là microPMO) hoặc hình cầu kích thước nanomet (viết tắt là nanoPMO) tùy theo mục đích ứng dụng. Diện tích bề mặt bên trong cao của vật liệu PMO, khả năng tiếp cận tuyệt vời cũng như khả năng chức năng hóa các PMO bằng cách tạo chelate với protein hoặc các phức khác làm cho chúng trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ, như việc làm giàu protein huyết thanh. Bên cạnh đó, tính chất ưa nước/kị nước và diện tích bề mặt lỗ của PMO cũng có thể được sử dụng để hấp thụ có chọn lọc các phân tử sinh học có tính chất phù hợp với các bề mặt lỗ PMO này. Tổng hợp các vật liệu silica trung tính dạng bột với kích thước lỗ được kiểm soát trong khoảng 2–30 (nm) và nhiều dạng hình học lỗ khác nhau đã là một lĩnh vực được quan tâm trong nhiều năm qua. Tăng cường các nhóm chức trong các 1
kênh lỗ của vật liệu PMO với các nhóm hữu cơ mang lại cơ hội mới để tinh chỉnh các đặc tính hóa học, vật lý, cơ học và điện môi của những vật liệu này. Điều này đã dẫn đến việc quan tâm đến việc ứng dụng các vật liệu này làm màng ngăn cách để loại bỏ các chất tạp nhiễm, làm giàu phân tử protein, các dịch sinh học cũng như các ứng dụng công nghệ nano tiên tiến khác[9]. Do đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu: “Thử nghiệm tương tác của vật liệu micro/nano với protein” trình bày một phương pháp hiệu quả để làm giàu peptide trong dịch sinh học bằng cách sử dụng hệ vật liệu PMO silica với các mục tiêu như sau: 1. Xác định được khả năng gắn các protein/peptide lên hệ vật liệu micro/nanoPMO theo thời gian và nồng độ bằng phương pháp hấp phụ vật lý. 2. So sánh được khả năng gắn các protein/peptide của từng loại vật liệu PMO trong dung dịch đệm có pH khác nhau. 2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vật liệu micro/nano 1.1.1. Định nghĩa khoa học nano và công nghệ nano Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu nghiên cứu về cấu trúc và phân tử ở kích thước nanomet (từ vài đến vài trăm nanomet). Khoa học nano là sự hội tụ vật lý, khoa học vật liệu và sinh học, liên quan đến các thao tác vật liệu ở các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Công nghệ nano là khả năng quan sát, đo lường, thao tác, lắp ráp, kiểm soát và sản xuất vật chất ở quy mô nanomet. Theo Tổ chức sáng kiến công nghệ Quốc gia (NNI) Hoa Kỳ, công nghệ nano là “một ngành khoa học, kỹ thuật và công nghệ được tiến hành ở quy mô nano (1 đến 100 nm), nơi các hiện tượng độc đáo cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ hóa học, vật lý và sinh học, đến y học, kỹ thuật và điện tử”[4] 1.1.2. Vật liệu micro/nano 1.1.2.1. Định nghĩa Vật liệu nano là đối tượng của khoa học nano và công nghệ nano, nó có vai trò liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Vật liệu nano có khả năng ứng dụng trong y sinh học vì kích thước của chúng so sánh được với kích thước của tế bào khoảng từ 1 nanomet đến 100 nanomet. Khác với vật liệu nano, vật liệu micro có kích thước lớn hơn, từ vài micromet (mcm) đến vài trăm micromet. 1.1.2.2. Phân loại Vật liệu nano có thể được phân loại thành các nhóm khác nhau theo các tiêu chí như: kích thước, hình thái, trạng thái và thành phần hóa học. Dựa trên kích thước và hình dạng tổng thể, vật liệu nano có thể được chia thành bốn loại. Vật liệu nano không chiều (0D) có cả ba chiều đều ở kích thước nano, tức là có kích thước dưới 100 nm, bao gồm các vật liệu nano hình cầu, khối lập phương, thanh nano, đa giác, khối cầu rỗng, kim loại, vỏ - lõi, chấm lượng tử (QDs). Vật liệu nano một chiều (1D) là vật liệu có một chiều không ở kích thước nano trong khi hai chiều còn lại ở kích thước nano. Vật liệu nano hai chiều (2D) chỉ có một chiều 3
ở kích thước nano trong khi hai chiều còn lại thì không. Vật liệu ba chiều (3D) có các kích thước khác nhau ngoài 100 nm. Dựa vào hình thái, vật liệu nano được chia thành ba dạng: phẳng, hình cầu, tỷ lệ khung hình. Theo trạng thái, vật liệu có thể được phân loại là isometric, vật liệu nano không đồng nhất, phân tán và kết tụ. Sự kết tụ này dựa trên các đặc tính điện từ, từ tính và điện tích bề mặt của vật liệu nano. Hơn nữa, sự kết tụ của các vật liệu nano trong chất lỏng phụ thuộc vào hình thái và chức năng, dẫn đến tính kỵ nước hoặc tính ưa nước. Dựa trên thành phần hóa học của chúng, vật liệu nano có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như hạt nano, nanocomposite và các vật liệu hữu cơ, vô cơ[37] 1.1.2.3. Tính chất của vật liệu micro/nano Vật liệu micro/nano có những tính chất đặc biệt và khác so với vật liệu khối đã từng nghiên cứu. Khi kích thước giảm xuống cỡ nanomet thì có hai hiện tượng đặc biệt xảy ra: Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước. Đối với hiệu ứng bề mặt: Khi kích thước của vật liệu nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng. Mặt khác, năng lượng liên kết của các nguyên tử bề mặt bị hạ thấp một cách đáng kể vì chúng không được liên kết đầy đủ, điều này thể hiện qua nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ chuyển pha cấu trúc của các hạt nano thấp hơn nhiều so với vật liệu khố thông thường (ví dụ, TiO2 có nhiệt độ chuyển pha từ cấu trúc anatase sang cấu trúc rutile là khoảng 400 độ C khi vật liệu ở cỡ nano và khoảng 1200 độ C khi vật liệu ở dạng khối). Đối với hiệu ứng kích thước: Khác với hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng kích thước mang lại sự khác biệt rất nhiều cho vật liệu nano so với vật liệu truyền thống. Điều này là bởi vì đối với một vật liệu, mỗi một tính chất của vật liệu này đều có một độ dài đặc trưng. Độ dài đặc trưng của rất nhiều các tính chất của vật liệu đều rơi vào kích thước nm. Ở vật liệu khối, kích thước vật liệu lớn hơn nhiều lần độ dài đặc trưng này dẫn đến các tính chất vật lí đã biết. Nhưng khi kích thước của vật liệu có thể so sánh được với độ dài đặc trưng đó thì tính chất có liên quan đến độ dài đặc trưng bị thay đổi đột ngột, khác hẳn so với tính chất đã biết trước đó. Nghĩa là không có sự chuyển tiếp một cách liên tục về tính chất khi đi từ vật liệu khối đến vật liệu nano. Chính vì 4
vậy, khi nói đến vật liệu micro/nano, chúng ta phải nhắc đến tính chất đi kèm của vật liệu đó[1] 1.1.3. Vật liệu Periodic mesoporous organosilicas (PMOs) 1.1.3.1. Sự ra đời của PMOs Năm 1999, các nhóm nghiên cứu của Inagaki[36] Stein và Ozin đã báo cáo một cách độc lập về sự tổng hợp của các organosilicas trung tính từ các tiền chất hữu cơ được bis-silyl hóa [(R’O)3Si–R–Si(OR’)3. PMOs được nghiên cứu trong bối cảnh chức năng hóa bề mặt của các silicas trung tính định kỳ (PMS) được yêu cầu để mở rộng và cải thiện ứng dụng của chúng như chất hấp phụ, chất xúc tác, chất bẫy, cảm biến[9]… .Các organosilica trung tính định kỳ là một loại vật liệu lai hữu cơ-vô cơ có trật tự mới, trong đó các đơn vị hữu cơ được phân bố đồng nhất vào khung silica[36]. PMO bảo toàn được những chức năng cơ bản của silica trung tính như diện tích bề mặt và thể tích lỗ cao, kích thước lỗ có thể điều chỉnh, cấu trúc trung gian có trật tự cao, ngoài ra vật liệu này còn thể hiện được một số ưu điểm đặc biệt là tính ổn định cơ học và thủy nhiệt cao so với các đối tác silica của chúng do kết hợp tải nhiều chất hữu cơ vào khuôn khổ của chúng[8]. Các PMO có chức năng cao có thể tìm thấy các ứng dụng mới mà silica trung tính không thể đạt được như trong các ứng dụng quang học như xúc tác quang thu ánh sáng, phim phát quang có thể điều chỉnh màu, thiết bị quang điện và xúc tác phức kim loại không đồng nhất.[27] 1.1.3.2. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu PMO Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp chính: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt có kích thước micro/nano từ kích thước lớn hơn trong khi đó phương pháp từ dưới lên là hình thành hạt micro/nano từ các nguyên tử (kích thước angstrom). Phương pháp từ trên xuống bao gồm các kỹ thuật như nghiền, nghiền bi năng lượng cao, in thạch bản, hợp kim cơ học, lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và lắng đọng pha hơi vật lý (PVD),... Phương pháp từ dưới lên chủ yếu được thực hiện bằng con đường hóa học như sol – gel, thủy nhiệt, đồng 5
kết tủa, epitaxy chùm phân tử,.... Ngoài ra, tổng hợp PMO còn được phân loại dựa vào các con đường khau nhau như con đường vật lý, hóa học, cơ học, sinh học được minh họa ở hình 1.1. Vật liệu PMO thường được điều chế bằng phương pháp sol-gel trong dung dịch nước[28]. Quá trình tổng hợp bao gồm quá trình thủy phân và ngưng tụ silica hữu cơ trong dung dịch nước dưới xúc tác base hoặc acid. Đặc điểm chính của tổng hợp PMO: trùng hợp silica hữu cơ với cầu nối là một nhóm hữu cơ thay vì cầu nối là đầu chất này và đuôi chất kia. Nguyên liệu để tổng hợp PMO thường bao gồm tiền chất, chất hoạt động bề mặt. Để thu được vật liệu xốp rỗng PMO, chất hoạt động bề mặt được thêm vào. Trong trường hợp tạo khuôn bằng CTAB, khi nồng độ chất hoạt động bề mặt dưới nồng độ micelle tới hạn (CMC), các chất hoạt động bề mặt có xu hướng hấp phụ như một lớp đơn ở bề mặt phân cách nước ± không khí. Ở nồng độ trên CMC, chúng tạo ra các mixen hình cầu. Với sự gia tăng hơn nữa về nồng độ của chất hoạt động bề mặt, các mixen hình cầu trở thành hình trụ và ở nồng độ cao hơn nữa, đóng gói hình lục giác của các mixen hình ống được hình thành[34] Hình 1.1. Tổng hợp PMO từ tiền chất silic hữu cơ (thủy phân và ngưng tụ silica hữu cơ trong dung dịch nước dưới xúc tác base hoặc acid với sự có mặt của chất hoạt động bề mặt. Các mixen hình cầu trở thành hình trụ và ở nồng độ chất hoạt động bề mặt cao hơn nữa, đóng gói hình lục giác của các mixen hình ống được hình thành) Nguồn: "Periodic mesoporous organosilicas for advanced applications"[28] 6
1.1.3.3. Ứng dụng của PMO trong y học và y sinh học Cùng với sự phát triển của khoa học nano và công nghệ nano trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống, ngày nay việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu micro/nano trong y học nói chung và ứng dụng vật liệu micro/nano PMO nói riêng mang đến nhiều hứa hẹn cho các ứng dụng tiềm năng, chẳng hạn như xúc tác[25], điện tử[13, 22], hấp phụ kim loại[12], cố định hoặc bao bọc các phân tử sinh học và y sinh thiết kế các PMO chức năng cho ứng dụng tiếp theo của chúng như là chất hỗ trợ hoặc chất mang phù hợp của các phân tử sinh học, chất xúc tác sinh học và thuốc khác nhau[9] Hình 1.2. Các ứng dụng của PMO – xúc tác sinh học, hấp phụ phân tử sinh học, phân phối thuốc (Bio-catalysis: Xúc tác sinh học do sự đồng tồn tại của các tương tác tĩnh điện và kỵ nước đối với sự cố định của enzyme; adsorption: Hấp phụ ổn định nhằm loại bỏ chọn lọc các ion kim loại; loading/release: quá trình hấp phụ/giải phóng thuốc có kiểm soát) 7
 Cố định phân tử sinh học Kể từ khi được phát hiện, vật liệu silicas trung tính được nghiên cứu rộng rãi với chức năng là một chất hỗ trợ cho sự cố định của các phân tử hoạt tính sinh học như là protein, enzyme, peptide[14]. Các vấn đề phổ biến liên quan đến sự thiếu ổn định của các enzym trong điều kiện khắc nghiệt và khả năng tái sử dụng của chúng được khắc phục rõ ràng sau khi cố định, mang lại một số lợi ích bổ sung như dễ dàng tách khỏi môi trường phản ứng, thay đổi các đặc tính xúc tác và ngăn ngừa sự nhiễm bẩn của protein trong số những đặc tính khác[11]. Sự cố định của protein trên vật chủ xốp được thực hiện bằng ba phương pháp phổ biến: Hấp phụ vật lý, gắn cộng hóa trị và vi bao/nhốt giữ[10]. Hình 1.3. Phương pháp để cố định protein trên giá đỡ và các lực tương tác giữa protein và giá đỡ trong qua trình cố định protein[10] (Ba phương pháp cố định protein phổ biến: Hấp phụ vật lý, gắn cộng hóa trị và vi bao/nhốt giữ. Cố định bằng sự hấp phụ hay vi bao/nhốt giữ cần sự có mặt của các lực tương tác) 8
Trong số đó, phương pháp được sử dụng nhiều hơn cả là phương pháp hấp phụ vật lý do cách tiếp cận đơn giản và hiệu quả nhất để cố định protein. Cố định protein trong các vật liệu xốp bằng phương pháp bao bọc làm giảm sự rửa trôi do tạo ra các rào cản vật lý. Phương pháp nhốt giữ bằng gel là nhốt giữ phân tử protein giữa các khe của các cấu trúc gel liên kết chéo và không tan trong nước. Liên kết chéo của các protein bên trong lỗ rỗng của vật liệu xốp tạo ra các tập hợp protein liên kết chéo với kích thước quá lớn để thoát ra khỏi hệ thống lỗ rỗng này. Phương pháp vi bao/nhốt giữ thường không được thực hiện trong điều kiện protein tối ưu và có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc 3 chiều. Ngoài ra, việc bao bọc có thể bịt kín các lỗ rỗng trên bề mặt vật liệu xốp và hạn chế sự khuếch tán của các sản phẩm, chất nền hoặc đồng yếu tố. Cố định protein bằng liên kết cộng hóa trị cho hiệu quả là protein được cố định rất bền, có thể sử dụng trong vài tháng hoặc bảo quản được trong nhiều năm. Do hình thành liên kết bền vững giữa protein và chất mang, protein có thể tránh được các điều kiện khắc nghiệt như phân hủy. Mặc dù vậy, cố định cộng hóa trị tốn kém và tốn thời gian. Hơn nữa, các điều kiện khắc nghiệt và sự biến đổi hóa học của protein có thể làm giảm hoạt động của các enzym sau quá trình cố định cộng hóa trị[22] Để khắc phục những hạn chế của hai phương pháp trên, người ta sử dụng phương pháp hấp phụ vật lý do tiết kiệm chi phí, thời gian và đơn giản để cố định protein trên các chất mang khác nhau. Phương pháp này được thực hiện đơn giản bằng cách đưa chất mang và protein tiếp xúc với nhau, sau đó protein sẽ bám lên bề mặt chất mang mà không hình thành liên kết cộng hóa trị do vậy không hoặc ít làm thay đổi cấu trúc phân tử protein từ đó vẫn giữ được hoạt tính của protein. Quá trình gắn protein lên chất mang bằng hấp phụ là quá trình gắn thuận nghịch, không đặc hiệu nên sự ổn định và độ bền tương tác giữa protein và chất mang không cao. Nhưng cũng nhờ chính khả năng cố định thuận nghịch nên các chất mang đắt tiền có thể dễ dàng tái sử dụng. Sự hấp phụ thường dựa trên các liên kết yếu như lực Van der Waals, tương tác tĩnh điện, kỵ nước, liên kết hydro. Trong số các lực này, lực tĩnh điện là lực mạnh nhất, sau đó là các tương tác kỵ nước, liên kết hydro và lực van der Waals. Vì nhiều nhóm chức của protein đều tương tác, 9
nên sự hấp phụ không chỉ được gắn trên một điểm của protein, mà trên đa điểm để ổn cố định protein[22]. Các yếu tố ảnh hưởng chính đến sự tương tác này có thể bao gồm các điều kiện thí nghiệm như nhiệt độ, pH của dung dịch đệm, cường độ ion và các đặc tính của vật liệu, chẳng hạn như kích thước lỗ nano, thành phần, cấu trúc trung gian và hình thái học. Ngoài ra, một yếu tố quan trọng và quyết định khác trong quá trình hấp thụ sinh học là chức năng hóa bề mặt của silicas trung tính. Nhiều nhóm chức năng đã được cố định trên bề mặt silica để tăng cường tương tác của chúng với bề mặt protein[9]. Năm 2012, Ling Zhu và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp các PMO đa chức năng khác bằng cách ghép các amin có chức năng sau khi ghép amin hoặc acid cacboxylic functionalized trialkoxysilanes có chức năng trên bề mặt etan- PMO có thứ tự cao. Các PMO đã được chức năng hóa này với tính kỵ nước và điện tích thực khác nhau được sử dụng để hấp thụ và làm sạch một cách chọn lọc ba loại protein — albumin huyết thanh bò (BSA, pI = 4,8), hemoglobin (Hb, pI = 6,8) và lysozyme (Lys, pI = 11,0). Có sự khác biệt hình dạng và điểm đẳng điện. Kết quả cho thấy những vật liệu này có ái lực cao với BSA hơn là Hb, trong khi chúng không thích hợp để hấp phụ Lys[17]. Ngoài ra, trong nghiên cứu sự hấp phụ của acid amin trên vật liệu PMO của Shin JH và cộng sự chỉ ra rằng điểm đẳng điện và tính kỵ nước của PMO cũng như tính kỵ nước của acid amin là những yếu tố quan trọng nhất chi phối quá trình hấp phụ sinh học[16]  Làm giàu phân tử sinh học Bên cạnh ứng dụng cố định cho các phân tử sinh học, PMO cũng có thể hoạt động như vật chủ để làm giàu peptide. Yang và cộng sự đã tổng hợp các PMO đa chức năng với các nhóm etan làm đơn vị cầu nối và các nhóm acid phosphonic được ghép trên thành lỗ rỗng. Khả năng phối trí của các nhóm phosphonic này với các ion kim loại như Zr+4 và Fe+3 khiến chúng có hiệu quả như chất hấp phụ IMAC (sắc ký ái lực kim loại cố định) tiềm năng để bắt giữ chọn lọc các phosphopeptide[29]. Mặc dù khi ở nồng độ thấp, nhiều protein có thể được uốn lại đúng cách mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ nào từ bên ngoài, nhưng khi nồng độ 10