Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica làm chất mang thuốc chống ung thư

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu "Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica làm chất mang thuốc chống ung thư" trình bày các nội dung chính sau: Tổng hợp vật liệu nano silica xốp (PNS); Biến tính vật liệu nano silica xốp (PNS) bằng Hydrazine, Chitosan-mPEG, Gelatin, Gelatin-mPEG, SS-CS-PEG; Khảo sát khả năng mang giải phóng của vật liệu sau khi biến tính đối với thuốc Doxorubicin, Fluorouracil.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica làm chất mang thuốc chống ung thư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VÕ UYÊN VY TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO SILICA LÀM CHẤT MANG THUỐC CHỐNG UNG THƯ LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO SILICA LÀM CHẤT MANG THUỐC CHỐNG UNG THƯ Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp Mã số:9 44 01 25 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. NGUYỄN CỬU KHOA 2. PGS. TS. NGUYỄN ĐẠI HẢI Hà Nội – Năm 2022
LỜI CAM ĐOAN Công trình được thực hiện tại phòng Vật liệu Y sinh - Viện Khoa học vật liệu ứng dụng - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và được sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Nguyễn Cửu Khoa và PGS.TS. Nguyễn Đại Hải. 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 Võ Uyên Vy
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Cửu Khoa và PGS.TS. Nguyễn Đại Hải, những 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 luận án này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của Học viện Khoa học và công nghệ đối với tôi trong quá trình thực hiện luận án. 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 luận án. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của trường Đại học Công nghiệp TpHCM đối với tôi trong quá trình thực hiện luận án. Sau cùng, tôi xin cảm ơn và thực sự không thể quên được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, bạn bè và sự động viên, tạo điều kiện của những người thân trong gia đình trong suốt quá trình tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Võ Uyên Vy
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................................... 1 1.1. Vật liệu nano silica ........................................................................................................ 1 1.1.1. Giới thiệu tổng quát ................................................................................................ 1 1.1.2. Vật liệu nano silica xốp........................................................................................... 2 1.1.3. Các tính chất của vật liệu nano silica xốp ............................................................... 3 1.2. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano silica ............................................................. 5 1.2.1. Tổng hợp nano silica xốp (porous nano silicas gọi tắt PNS) bằng phương pháp sol-gel ................................................................................................................................. 5 1.2.2. Tổng hợp nano silica xốp (porous nano silicas gọi tắt PNS) bằng phương pháp kết tủa ................................................................................................................................. 6 1.2.3. Tổng hợp nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp ngưng tụ hóa học (chemical vapor condensation gọi tắt là CVC) ..................................................................................... 7 1.3. Các chất dùng để biến tính bề mặt nano silica .............................................................. 8 1.3.1. Hydrazine ................................................................................................................ 8 1.3.2. Polyethylene glycol (PEG) ..................................................................................... 9 1.3.3. Biến tính bằng chitosan (CS) ................................................................................ 10 1.3.4. Biến tính bằng dithiodipropionic acid (DTDP) .................................................... 11 1.3.5. Biến tính bằng Gelatin .......................................................................................... 11 1.4. Thuốc trị bệnh ung thư (hóa trị) .................................................................................. 13 1.4.1. Thuốc 5-Fluorouracil (5-FU) ................................................................................ 14 1.4.1.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 14 1.4.1.2. Cơ chế của 5-FU ............................................................................................ 14 1.4.2. Thuốc Doxorubicin (DOX) ................................................................................... 15 1.4.2.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 15 1.4.2.2. Cơ chế tác dụng .............................................................................................. 15 1.4.2.3. Chỉ định .......................................................................................................... 16 1.4.3. Tác dụng phụ [41] ................................................................................................. 16 1.5. Ứng dụng công nghệ nano làm chất dẫn truyền thuốc chống ung thư ............................ ..................................................................................................................................... 16 1.5.1. Cơ chế mang thuốc hướng đích thụ động: ............................................................ 17 1.5.2. Cơ chế mang thuốc hướng đích chủ động: ........................................................... 18 1.5.3. Những nghiên cứu của vật liệu nano silica trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc ....... 18 1.6. Nội dung và phương pháp nghiên cứu......................................................................... 19
1.6.1. Tổng hợp nanosilica xốp và tạo cầu nối biến tính ................................................... 19 1.6.1.1. Tổng hợp vật liệu nano silica xốp bằng phương pháp sol-gel .................................. 19 1.6.1.2. Tạo cầu nối biến tính ................................................................................................ 20 1.6.2. Biến tính vật liệu nano silica xốp (PNS).................................................................. 22 1.6.2.2. Biến tính PNS bằng Chitosan-mPEG (tổng hợp PNS-GPTMS-CS-mPEG là chất mang thuốc 2) ........................................................................................................................ 22 1.6.2.3. Biến tính PNS bằng Gelatin (tổng hợp PNS-APTES-COOH-GE là chất mang 4) .. 24 1.6.2.4. Biến tính PNS bằng Gelatin-mPEG (tổng hợp PNS-GEL-mPEG hay còn gọi là PNS-APTES-GEL-mPEG là chất mang 5) ............................................................................ 25 1.6.2.5. Biến tính PNS bằng SS-CS-PEG (tổng hợp PNS-SS-CS-PEG hay còn gọi PNS@CS-PEG là chất mang 6) ............................................................................................. 27 1.7. Thử nghiệm độc tính tế bào (cytotoxicity test) ............................................................ 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 29 2.1. Hóa chất và thiết bị ...................................................................................................... 29 2.1.1. Hóa chất ................................................................................................................ 29 2.1.2. Dụng cụ .................................................................................................................... 30 2.2. Thực nghiệm ................................................................................................................... 30 2.2.1. Tổng hợp nano silica xốp và tạo cầu nối biến tính ................................................. 30 2.2.1.1. Tổng hợp vật liệu nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp sol-gel[52] ................ 30 2.2.1.2. Tổng hợp vật liệu nano silica xốp bằng phương pháp kết tủa [53]................ 31 2.2.1.3. Tạo cầu nối biến tính ...................................................................................... 33 2.2.2. Biến tính vật liệu nano silica xốp............................................................................. 35 2.2.2.1. Biến tính bằng hydrazine (tổng hợp PNS-GPTMS-Hydrazine là chất mang thuốc 1) . ........................................................................................................................ 35 2.2.2.2. Biến tính PNS bằng Chitosan-mPEG (tổng hợp PNS-GPTMS-CS-mPEG là chất mang thuốc 2) ........................................................................................................................ 35 2.2.2.3. Biến tính bằng gelatin (tổng hợp PNS-APTES-COOH-GE là chất mang 4) 38 2.2.2.4. Biến tính PNS bằng gelatin-mPEG (tổng hợp PNS-APTES-COOH-GEL- mPEG hay còn gọi là PNS -GEL-mPEG là chất mang thuốc 5) ........................................... 39 2.2.2.5. Biến tính bằng SS-CS-PEG (tổng hợp PNS-SS-CS-PEG (là chất mang thuốc 6) ........................................................................................................................ 42 2.2.3. Khảo sát quá trình mang giải phóng của vật liệu..................................................... 43 2.2.3.1. Khảo sát quá trình mang thuốc 5-FU và giải phóngthuốc ....................................... 43 2.2.3.2. Khảo sát khả năng mang và giải phóng DOX trên vật liệu ...................................... 45 2.2.3. Thử nghiệm độc tính tế bào .................................................................................. 46 2.2.4.1. Phương pháp nuôi cấy tế bào .................................................................................... 47
2.2.4.2. Quy trình khảo sát hoạt tính gây độc bằng phương pháp SRB................................. 47 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ........................................................................... 48 3.1. Đặc trưng của vật liệunano silica xốp (PNS) .................................................................. 48 3.1.1. Khảo sát kích thước hạt PNS bằng phương pháp solgel.......................................... 48 3.1.2. Ảnh TEM của vật liệu nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp sol-gel 50 3.1.3. Kết quả phân tích ảnh SEM của vật liệu nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp kết tủa. .......................................................................................................... 51 3.1.4. Kết quả phân tích giản đồ XRD của vật liệu nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp sol-gel và phương pháp kết tủa .................................................................... 51 3.1.5. Kết quả FT-IR của vật liệu nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp sol- gel và phương pháp kết tủa ................................................................................................ 52 3.1.6. Kết quả BET của vật liệu nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp sol- gel và phương pháp kết tủa ................................................................................................ 54 3.2. Biến tính nano silica xốp ................................................................................................ 54 3.2.1. Biến tính thông qua cầu nối GPTMS ....................................................................... 54 3.2.1.1. Biến tính bằng Hydrazine (tổng hợp PNS-GPTMS-Hydrazin-chất mang thuốc 1) . 54 3.2.1.2. Biến tính bằng Chitosan-mPEG (tổng hợp PNS-GPTMS-Chitosan-mPEG viết tắt PNS-GPTMS-CS-mPEG là chất mang thuốc 2).................................................................... 56 3.2.2. Biến tính thông qua cầu nối APTES ........................................................................ 59 3.2.2.1. Biến tính bằng gelatin (tổng hợp PNS-APTES-COOH-gelatin còn gọi PNS-APTES- COOH-GE (chất mang thuốc 4)) ........................................................................................... 59 3.2.2.2. Biến tính PNS bằng GEL-mPEG (tổng hợp PNS-APTES-COOH-GEL-mPEG hay còn gọi tắt là PNS-Gelatin-mPEG (chất mang thuốc 5) ........................................................ 61 3.2.2.3. Biến tính SS-CS-PEG (tổng hợp PNS@CS-PEG hay còn gọi là PNS-APTES-SS- COOH-CS-PEG (chất mang thuốc 6))................................................................................... 65 3.2.3. Nhận xét chung các hệ biến tính .............................................................................. 66 3.3. Kết quả mang và giải phóng thuốc ................................................................................. 67 3.3.1. Kết quả mang và giải phóng thuốc của PNS ........................................................... 67 3.3.1.1. Xây dựng đường chuẩn 5-Fluorouracil (5-FU) ........................................................ 67 3.3.1.4. Kết quả mang thuốc 5-FU của PNS (nano silica xốp) .............................................. 70 3.3.1.6. Kết quả mang thuốc DOX của PNS (nano silica xốp).............................................. 72 3.3.1.7. Kết quả giải phóng thuốc DOX của PNS (nano silica xốp) ..................................... 72 3.3.2. Kết quả mang và giải phóng của PNS-GPTMS-Hydrazine (chất mang thuốc 1) ... 73 3.3.2.1. Khảo sát mang và giải phóng 5-FU của PNS-GPTMS-Hydrazine........................... 73 3.3.2.2. Khảo sát giải phóng 5-FU của PNS-GPTMS-Hydrazine ......................................... 74 3.3.2.3. Kết quả mang thuốc DOX của PNS-GPTMS-Hydrazine ......................................... 75
3.3.2.4. Khảo sát khả năng giải phóng DOX của vật liệuPNS-GPTMS-Hydrazine ............. 75 3.3.3. Kết quả mang và giải phóng thuốc của PNS-GPTMS-CS-mPEG (Chất mang thuốc 2) ........................................................................................................................................ 78 3.3.3.1. Kết quả mang 5-FUcủa hệ PNS-GPTMS-CS-mPEG ............................................... 78 3.3.3.3. Kết quả mang thuốc DOX của PNS-GPTMS-CS-mPEG......................................... 79 3.3.3.4. Khảo sát khả năng giải phóng thuốc DOX của hệ PNS-GPTMS-CS-mPEG .......... 80 3.3.4. Kết quả mang và giải phóng của PNS-APTES (chất mang thuốc 3)....................... 82 3.3.4.1. Kết quả mang 5-FU của PNS-APTES ...................................................................... 82 3.3.4.2. Kết quả giải phóng 5-FU của PNS-APTES .............................................................. 82 3.3.4.3. Kết quả mang DOX của PNS-APTES ...................................................................... 83 3.3.4.4. Kết quả giải phóng DOX của PNS-APTES ............................................................. 84 3.3.5. Kết quả mang và giải phóng PNS-APTES-Anhydrid Succinic-Gelatin (PNS- APTES-COOH-GE là chất mang thuốc 4) ........................................................................ 85 3.3.5.1. Kết quả mang 5-FU của PNS-APTES-COOH-GE ................................................... 85 3.3.5.2. Kết quả giải phóng 5-FU của PNS-APTES-COOH-GE........................................... 86 Hình 3.35. Phổ HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS-APTES-COOH-GE .................. 87 3.3.5.3. Kết quả mang DOX của PNS-APTES-COOH-GE .................................................. 87 3.3.5.4. Kết quả giải phóng DOX của PNS-APTES-COOH-GE .......................................... 87 3.3.6. Kết quả mang và giải phóng PNS-APTES-Anhydrid Succinic- Gelatin-mPEG (gọi tắt là PNS-GEL-mPEG là chất mang thuốc 5) .................................................................. 89 3.3.6.1. Khảo sát khả năng mang 5-FU của hệ PNS-GEL-mPEG......................................... 89 3.3.6.3. Kết quả mang thuốc DOX của PNS-GEL-mPEG .................................................... 90 3.3.6.4. Khảo sát khả năng giải phóng DOX của hệ PNS-GEL-mPEG ................................ 90 3.3.7. Kết quả mang và giải phóng của hệ PNS@CS-PEG .............................................. 93 3.3.7.1. Kết quả mang thuốc DOX của PNS@CS-PEG ........................................................ 93 3.3.7.2. Kết quả giải phóng DOX của PNS@CS-PEG .......................................................... 94 3.3.8. Nhận xét chung cho tất cả các kết quả mang và giải phóng thuốc .......................... 95 3.4. Kết quả thử độc tính tế bào ............................................................................................. 97 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬNVÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 100 4.1. Kết luận .................................................................................................................. 100 4.2. Kiến nghị ................................................................................................................ 101
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mô tả quá trình hình thành nano silica xốp, biến tính và mang thuốc................. 5 Hình 1.2. Quá trình hình thành hạt nano silica cấu trúc xốp ............................................... 6 Hình 1.3. Nguyên lý tạo hạt silica bằng phương pháp CVC .............................................. 7 Hình 1.4. Sự tạo thành Chitosan từ Chitin ........................................................................... 10 Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của 3,3’-dithiodipropionic acid ............................................... 11 Hình 1.6. Liên kết disulfide ban đầu bị cắt đứt và tái hình thành liên kết disulfide khác ... 11 Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của Gelatin ................................................................................. 13 Hình 1.8. Công thức của Fluorouracil (5-FU) ..................................................................... 14 Hình 1.9. Công thức hóa học của Fluorouracil (5-FU) và cơ chế tiêu diệt tế bào ung thư của 5-FU ..................................................................................................................................... 14 Hình 1.10. Công thức cấu tạo của doxorubicin ................................................................... 15 Hình 1.11. Nhắm mục tiêu thụ động .................................................................................... 18 Hình 1.12. Thành tựu nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc ..................... 19 Hình 1.13. Cơ chế phản ứng thủy phân và ngưng tụ ........................................................... 20 Hình 1.14. Cấu trúc 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane .................................................... 21 Hình 1.15. Phản ứng tạo cầu nối GPTMS trên nano silica xốp (PNS-GPTMS) ................. 21 Hình 1.16. Phản ứng tạo cầu nối APTES trên nano silica xốp (PNS-APTES) ................... 22 Hình 1.17. Phản ứng biến tính nano silica xốp(PNS) bằng hydrazine ................................ 22 Hình 1.18. Phản ứng tổng hợp mPEG-p-nitrophenyl carbonate .......................................... 23 Hình 1.19. Phản ứng tổng hợp chitosan-mPEG ................................................................... 23 Hình 1.20. Phản ứng biến tính nano silica bởi Chitosan-mPEG ......................................... 24 Hình 1.21. Phản ứng tạo gắn anhidride succinic lên PNS (PNS-APTES-COOH) .............. 24 Hình 1.22. Phản ứng hoạt hóa PNS-APTES-Succinic bằng EDC ....................................... 25 Hình 1.23. Phản ứng tạo liên kết PNS-APTES-Anhydride succinic với gelatin ................. 25
Hình 1.24. Phản ứng tổng hợp gelatin-mPEG. .................................................................... 27 Hình 1.25. Phản ứng tạo liên kết PNS-APTES-Anhydride succinic với Gelatin-mPEG .... 27 Hình 1.26. Phản ứng tạo PNS-SS-COOH............................................................................ 28 Hình 1.27. Phản ứng hoạt hóa PNS-SS-COOH với EDC ................................................ 28 Hình 1.28. Phản ứng tổng hợp chất mang thuốc PNS@CS-PEG ........................................ 29 Hình 2.1. Mô tả qui trình tổng hợp porous nano silica (PNS) ............................................. 31 Hình 2.2. Sơ đồ qui trình tổng hợp nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp sol-gel ....... 32 Hình 2.3. Qui trình tổng hợp nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp kết tủa ................. 33 Hình 2.4. Qui trình tổng hợp PNS-GPTMS ......................................................................... 34 Hình 2.5. Sơ đồ tổng hợp PNS-APTES ............................................................................... 35 Hình 2.6. Quy trình tổng hợp PNS-GPTMS-Hydrazine ...................................................... 36 Hình 2.7. Hoạt hóa mPEG bằng NPC .................................................................................. 37 Hình 2.8. Qui trình tổng hợp Chitosan-mPEG. ................................................................... 38 Hình 2.9. Qui trình tổng hợp PNS-GPTMS-CS-mPEG. ..................................................... 39 Hình 2.10. Quy trình tổng hợp PNS-APTES-succinic anhydrid ......................................... 39 Hình 2.11. Qui trình tổng hợp PNS-APTES-COOH-GE .................................................... 40 Hình 2.12. Hoạt hóa mPEG bằng NPC. ............................................................................... 41 Hình 2.13. Qui trình tổng hợp Gelatin-mPEG ..................................................................... 42 Hình 2.14. Qui trình tổng hợp PNS-APTES-COOH-GEL-mPEG ...................................... 43 Hình 2.15. Sơ đồ quy trình mang 5-FU ............................................................................... 46 Hình 2.16. Sơ đồ quy trình mang DOX ............................................................................... 47 Hình 3.1. Ảnh hưởng của TEOs lên kích thước hạt ........................................................... 50 Hình 3.2. Ảnh hưởng của ethanole lên kích thước hạt ........................................................ 50 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ amoniac lên kích thước hạt ......................................... 51 Hình 3.4. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của nanosilica xốp (PNS) ......................... 51 Hình 3.5. Ảnh SEM của nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp kết tủa ........ 52
Hình 3.6. So sánh giản đồ XRD của nano silica xốp tổng hợp bằng phương pháp kết tủa (a) và bằng phương pháp sol-gel (b). ........................................................................................ 53 Hình 3.7. So sánh phổ FT-IR của nano silica xốp (PNS) tổng hợp bằng phương pháp sol-gel và bằng phương pháp kết tủa .............................................................................................. 54 Hình 3.8. Ảnh TEM của PNS-GPTMS (A, A’) và PNS-GPTMS-Hydrazine (B, B’) ........ 56 Hình 3.9. FTIR của PNS (a), PNS-GPTMS(b) và PNS-GPTMS-Hydrazine (c) ................ 57 Hình 3.10. Ảnh TEM của PNS-GPTMS-CS-mPEG ........................................................... 57 Hình 3.11. Kết quả FTIR của a) Nano silica xốp (PNS); b)PNS-GPTMS; c) PNS-GPTMS – Cs-mPEG; d) Cs-mPEG ....................................................................................................... 58 Hình 3.12. Giản đồ TGA của PNS-GPTMS (a) và PNS-GPTMS-Cs-mPEG (b) .............. 59 Hình 3.13. FTIR của (a) PNS, (b) PNS-APTES, (c) PNS-APTES-COOH, (d) PNS-APTES- COOH-GE............................................................................................................................ 61 Hình 3.14. Ảnh TEM của vật liệu nano silicate sau khi biến tính bằng gelatin ................ 61 Hình 3.15. Ảnh TEM, sơ đồ phân bố kích thước hạt của vật liệu nano silicate trước biến tính(a,b) và sau biến tính bằng GEL-mPEG (c,d)................................................................ 62 Hình 3.16. Giản đồ XRD góc nhỏ của (a) PNS (CTAB), (b) PNS-COOH, and (c) PNS- GEL-mPEG .......................................................................................................................... 63 Hình 3.17. FTIR của (a) PNS, (b) PNS-APTES, (c) PNS-APTES-COOH, (d) GEL-mPEG, and (e) PNS-GEL-mPEG . .................................................................................................. 64 Hình 3.18. Giản đồ TGA của PNS; PNS-APTES-COOH; GEL-mPEG và PNS-GPTMS- GEL-mPEG ........................................................................................................................ 65 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt hấp phụ BET của hệ PNS-GPTMS-GEL-mPEG ............. 65 Hình 3.20. Ảnh TEM của vật liệu PNS@CS-PEG và sơ đồ phân bố kích thước hạt. ...... 66 Hình 3.21. FT-IR của (a) PNS và (b) PNS@CS-PEG ...................................................... 67 Hình 3.22.Đồ thị tương quan giữa diện tích bề mặt (BET) và kích thước hạt (TEM) của hệ PNS trước và sau biến tính .................................................................................................. 68 Hình 3.23. Đường chuẩn 5-FU ............................................................................................ 69 Hình 3.24. Đường chuẩn thuốc DOX ................................................................................ 70
Hình 3.25. Tỉ lệ giữa thuốc và chất mang ............................................................................ 71 Hình 3.26. Phổ HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS mang 5-FU giải phóng (b) ...... 72 Hình 3.27. Đồ thị mô tả khả năng giải phóng thuốc DOX của hệ PNS ở pH 4,5 và pH 7,4 .............................................................................................................................................. 74 Hình 3.28. HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS-Hydrazine mang 5-FU giải phóng (b) .............................................................................................................................................. 75 Hình 3.29. Đồ thị mô tả khả năng giải phóng thuốc DOX của hệ PNS-Hydrazine ở pH 4,5 và pH 7,4 ............................................................................................................................ 78 Hình 3.30. Quá trình giải phóng thuốc DOX của hệ PNS-Hydrazine ở pH 4,5 và pH 7,4 .............................................................................................................................................. 78 Hình 3.31. Phổ HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS-GPTMS-CS-mPEG mang 5-FU giải phóng (b) .................................................................................................................... 80 Hình 3.32. Đồ thị mô tả khả năng giải phóng thuốc DOX của hệ PNS-GPTMS-CS-mPEG .............................................................................................................................................. 82 Hình 3.33. Phổ HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS-APTES mang 5-FU giải phóng (b) ......................................................................................................................................... 84 Hình 3.34. Đồ thị mô tả khả năng giải phóng của PNS-APTES ...................................... 85 Hình 3.35. Phổ HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS-APTES-COOH-GE mang 5-FU giải phóng (b) ....................................................................................................................... 88 Hình 3.36. Đồ thị so sánh khả năng giải phóng DOX của PNS-APTES-COOH-GE ........ 89 Hình 3.37.Phổ HPLC của 5-FU (a) và HPLC của hệ PNS-GEL-mPEG mang 5-FU giải phóng (b) ............................................................................................................................. 90 Hình 3.38. So sánh giải phóng DOX của PNS và PNS-GEL-mPEG tại pH 7,4 và 4,5 ... 92 Hình 3.39. Đồ thị so sánh khả năng DOX của PNS và PNS-GEL-mPEG tại pH 7,4 ......... 94 Hình 3.40. So sánh giải phóng DOX của PNS@CS-PEG tại pH 7,4 và 4,5 .................... 95 Hình 3.41. Hoạt tính ức chế tế bào MCF-7 (ung thư vú) của (a) DOX và (b) PNS-APTES- COOH-GE mang DOX ..................................................................................................... 99
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Tên hóa chất và nơi xuất xứ ................................................................................ 30 Bảng 3.1. Số liệu tương quan giữa diện tích bề mặt (BET) và kích thước hạt (TEM) của hệ PNS trước và sau biến tính .................................................................................................. 67 Bảng 3.2. Số liệu đường chuẩn thuốc 5-FU......................................................................... 69 Bảng 3.3. Số liệu đường chuẩn thuốc DOX ........................................................................ 70 Bảng 3.4. Số liệu khảo sát tỷ lệ giữa thuốc DOX và chất mang.......................................... 70 Bảng 3.5. Kết quả giải phóng DOX của hệ PNS ................................................................. 73 Bảng 3.6. Số liệu biểu thị khối lượng thuốc được mang trong 60 mg hạt. .......................... 74 Bảng 3.7. So sánh DLE và DLC của PNS và PNS-GPTMS-Hydrazine mang thuốc 5FU . 75 Bảng 3.8. Kết quả giải phóng DOX của hệ PNS GPTMS-Hydrazine ................................. 77 Bảng 3.9. Lượng thuốc 5-FU tự do của hệ PNS-GPTMS-CS-mPEG ............................... 79 Bảng 3.10. Kết quả đo thuốc DOX tự do của hệ PNS-GPTMS-CS-mPEG ........................ 81 Bảng 3.11. So sánh số liệu DLE và DLC của PNS-GPTMS-CS-mPEG và PNS ............... 81 Bảng 3.12. Dữ liệu cho thấy khả năng giải phóng thuốc DOX của hệ PNS-GPTMS-CS- mPEG ở pH=7,4 và pH=4,5 ................................................................................................. 81 Bảng 3.13. Khối lượng thuốc tự do và được mang trong 60 mg chất mang PNS-APTES 83 Bảng 3.14. Hiệu suất mang thuốc và khả năng chứa thuốc 5-FU của hạt nano silica xốp đã biến tính (PNS-APTES) so sánh với PNS chưa biến tính ................................................. 83 Bảng 3.15. Số liệu giải phóng DOX của PNS-APTES tại pH 7,4 và 4,5 ............................ 85 Bảng 3.16. Kết quả đo dung dịch A và B (trước và sau mang thuốc 5-FU của hệ PNS- APTES-Anhydrid Succinic-GE) .......................................................................................... 87 Bảng 3.17. Số liệu giải phóng DOX của hệ PNS- APTES-COOH-GE tại pH 7,4 và 4,5 ... 88 Bảng 3.18. Số liệu biểu thị khối lượng thuốc 5-FU được mang trong 60 mg PNS-GEL- mPEG ................................................................................................................................... 90 Bảng 3.19. Khả năng giải phóng DOX của hệ PNS-GEL-mPEG ở pH=7,4 và pH=4,5 ..... 91 Bảng 3.20. So sánh khả năng giải phóng DOX của hệ PNS và PNS-GEL-mPEG ở pH=7,4 ..................................................................................................................................... 93
Bảng 3.21. Dữ liệu cho thấy khả năng giải phóng thuốc DOX của hệ PNS@CS-PEG ở pH=7,4 và pH=4,5 ............................................................................................................... 95 Bảng 3.22. So sánh hiệu suất mang thuốc và khả năng giải phóng thuốc DOX của PNS và các hệ PNS biến tính ............................................................................................................ 97 Bảng 3.23. So sánh hiệu suất mang thuốc và khả năng giải phóng 5-FU của PNS và các hệ PNS biến tính ....................................................................................................................... 98 Bảng 3.24. Giá trị IC50 của chất mang DOX và DOX tự do trên các dòng tế bào .............. 99
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ viết đầy đủ APTES (3-aminopropyl)triethoxysilane CTAB Cetyltrimethylamnonium bromide CS Chitosan GEL hoặc GE Gelatin Da Dalton DOX Doxorubicin 5-FU Fluorouracil DLS Dynamic light scattering EDC 1-3 Dimethylamino-5-ethyl carbodimide Et Ethyl EtOH Ethanol FT-IR Fourier transform infrared spectroscopy (phổ hồng ngoại) Gelatin GEL hoặc GE mPEG Methoxy ethyleneglycol MSN Nano silica mesoporous NPC p-nitrophenyl carbonate PEG Poly ethyleneglycol PNS Porous nano silicas PBS Phosphate buffered saline TEOS Tetraethyl orthosilicate THF Tetrahydrofuran TGA Thermogravimetric analysis TEM Transmission electron microscopy UV-Vis Ultraviolet-visible XRD X-ray powder diffraction
MỞ ĐẦU Theo đánh giá thống kê của GLOBOCAN năm 2020, tình hình mắc và tử vong do ung thư trên toàn thế giới có xu hướng tăng. Việt Nam là quốc gia có tỷ lệ mắc ung thư thuộc loại cao trên thế giới, ước tính có 182 563 ca mắc mới và 122 690 ca tử vong do ung thư. Vậy cứ 100 000 người thì có 159 người chẩn đoán mắc ung thư và 106 người tử vong do ung thư (nội dung trích từ cổng thông tin điện tử của Bộ Y tế). Ung thư đem lại gánh nặng cho nền kinh tế quốc gia. Việc chữa trị bệnh ung thư với các phương pháp khác nhau như phẫu thuật, xạ trị, hóa trị liệu, sinh trị liệu,… nhưng phổ biến hơn là hóa trị liệu. Sử dụng hóa chất trong điều trị ung thư có ưu điểm là tiêu diệt tế bào ung thư đang phát triển và nhân lên nhanh chóng, làm cho khối u ung thư dần bị suy thoái. Nhưng các tác dụng phụ của phương pháp hóa trị theo cách truyền thống là cực kỳ nguy hiểm cho bệnh nhân. Cụ thể là, sau khi đưa thuốc vào cơ thể một phần lượng thuốc sẽ bị chuyển hóa tại gan hoặc bị thải trừ ở thận, chỉ có một lượng nhỏ thuốc đến tiêu diệt tế bào ung thư và phần còn lại phân bố vào các cơ quan khác của cơ thể làm hại cho tế bào lành, gây cho người bệnh những tác dụng phụ buồn nôn, suy tủy, rụng tóc…Trong mười năm gần đây, nhiều nghiên cứu về vật liệu nano ứng dụng trong lĩnh vực y sinh đang phát triển mạnh mẽ với mong muốn tìm những hệ dẫn truyền thuốc thông minh có thể mang thuốc đến đúng tế bào bệnh và giải phóng đúng mục tiêu, làm giảm thiệt hại cho các bệnh nhân trong điều trị ung thư, thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới. Có rất nhiều vật liệu nano đã và đang được nghiên cứu, trong số đó nano silica nổi bật bởi những đặc tính như tính tương thích sinh học cao, khả năng phân hủy sinh học vượt trội, dễ đào thải, dễ tổng hợp, dễ biến tính, kích thước và cấu trúc ổn định, diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp lớn[1, 2]. Tuy nhiên, chính vì thể tích lỗ xốp lớn, thuốc dễ mang vào thì cũng dễ dàng rò rỉ ra trong quá trình mang thuốc lưu thông trong hệ tuần hoàn, như thế sẽ không đạt được mong muốn là dẫn truyền thuốc đúng mục tiêu là tế bào bệnh. Do đó, cầnbiến tính bề mặt hạt nano silica bởi các polymer thiên nhiên với mong muốn tăng hiệu suất mang thuốc, duy trì thời gian mang thuốc và giải phóng đến đúng mục tiêu. Trên cơ sở đó đưa ra đề tài “Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica làm chất mang thuốc chống ung thư” với hi vọng tìm ra một hệ mang thuốc chống ung thư hiệu quả hơn.
Mục tiêu đề tài Như đã nói ở trên, bên cạnh các ưu điểm, nano silica có nhược điểm là không thể bảo vệ thuốc trong quá trình vận chuyển, thuốc bị rò rỉ ra ngoài do các lỗ rỗng không có nắp đậy. Vì vậy để đạt hiệu quả mang thuốc cao, cần biến tính bề mặt hạt nano silica bằng cách gắn thêm các polymer khác để bảo vệ lượng thuốc bên trong, đó chính là mục tiêu định hướng cho đề tài “Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica làm chất dẫn truyền thuốc chống ung thư” Tổng hợp nano silica xốp và biến tính nano silica xốp với Hydrazine, Chitosan-mPEG, Gelatin, Gelatin-mPEG (GEL-mPEG), SS-Chitosan-PEG nhằm nâng cao hiệu quả mang và giải phóng chống ung thư. Để đạt được mục tiêu này, cần phải thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: - Tổng hợp vật liệu nano silica xốp (PNS) - Biến tính vật liệu nano silica xốp (PNS) bằng Hydrazine, Chitosan-mPEG, Gelatin, Gelatin-mPEG, SS-CS-PEG. - Khảo sát khả năng mang giải phóng của vật liệu sau khi biến tính đối với thuốc Doxorubicin, Fluorouracil.
SƠ ĐỒ MÔ TẢ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu nano silica 1.1.1. Giới thiệu tổng quát Trong những năm gần đây, các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực y sinh mang lại nhiều triển vọng to lớn thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các nghiên cứu xoay quanh vấn đề ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực y học tạo ra vật liệu dẫn truyền thuốc hoặc kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh. Trong tất cả các vật liệu nano, hạt nano silica xốp nổi trội với nhiều tính chất độc đáo và mang lại nhiều nghiên cứu hứa hẹn trong tương lai không xa [3]. Silica tồn tại rất nhiều trong điều kiện tự nhiên dưới dạng các hợp chất có chứa oxy (SiO2 còn gọi là silicon dioxide). Đến nay, chúng ta vẫn chưa có phát hiện về sự tồn tại riêng lẻ của silic. Các hợp chất của silica chiếm khoảng 78% lớp vỏ trái đất như thạch anh, đá lửa, opal, silica… [4, 5]. Silica có tầm ứng dụng rộng rãi, nó là chất độn được thêm vào nhằm làm tăng trọng lượng, tăng độ cứng, tạo độ trong suốt của sơn. Ngoài ra, silica còn có tác dụng cải thiện độ bền va đập của vật liệu, tăng khả năng phân tán, tăng độ bóng láng của sản phẩm kim loại, dễ gia công và góp phần làm giảm giá thành sản phẩm [6]. Trong vật liệu nano silica có hai nhóm vật liệu được sử dụng nhiều nhất với mục đích mang và phân phối thuốc là silica xerogels và porous nanosilicas (PNS) hay còn gọi là nano silica xốp. Silica xerogel sở hữu cấu trúc vô định hình còn nano silica xốp có hình dạng ổn định và diện tích bề mặt lớn so với nhiều loại vật liệu nano khác. Để tạo ra nano silica xốp ta dùng phương pháp sol-gel. Trong quá trình tổng hợp các điều kiện tổng hợp sẽ quyết định hình dạng và kích thước hạt vật liệu như tỷ lệ thuốc thử, nhiệt độ, nồng độ chất xúc tác và áp suất sấy [7]. Trước kia, silica xerogel được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực y học và mang thuốc, các loại thuốc đã được mang bởi loại vật liệu này có thể kể đến như phenytoin, doxorubicin, cisplatin, metronidazole, nifedipine, diclofenac và heparin [7]. Tuy nhiên độ tương thích sinh học của vật liệu không quá cao, cùng với đó vật liệu vẫn mang độc tính khi đưa vào cơ thể người, đây chính là lý do khiến vật liệu này đang bị hạn chế sử dụng và dần bị thay thế bởi vật liệu nano silica xốp (PNS).
2 Vật liệu PNS là một dạng silica trung tính được phát triển gần đây trong công nghệ nano [8, 9]. Đây là một vật liệu điển hình của vật liệu nanogel có cấu trúc dạng xốp độc đáo nên có thể vẫn giữ được mức độ ổn định hóa học, có chức năng bề mặt và tính tương thích sinh học tốt, đảm bảo khả năng mang và giải phóng thuốc đúng như mong muốn hoặc có sai số thấp nhất có thể. Thêm một lý do khiến nano silica xốp (PNS) được ưa chuộng và sử dụng rộng rải là chúng có sẵn rất nhiều trong thiên nhiên nên dễ dàng tìm kiếm, tổng hợp và thân thiện hơn với con người. Khả năng tương thích sinh học của nano silica xốp (PNS) cao hơn nhiều so với nano vàng hay nano sắt từ. Ngoài ra PNS được nghiên cứu rộng rãi do vật liệu này có thể dễ dàng thay đổi cấu trúc, dạng lỗ xốp và kích thước lỗ xốp tùy thuộc vào mục đích muốn mang loại thuốc nào. Một ưu điểm đặc biệt khác của PNS là các đặc tính bề mặt của vật liệu có thể dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thông thường, cho phép dễ dàng thực hiện chức năng của bề mặt chứa silanol để kiểm soát việc mang và giải phóng thuốc. Khi so sánh PNS với silica xerogel thì PNS cho thấy có cấu trúc đồng nhất hơn, diện tích bề mặt cao hơn để hấp phụ các phân tử thuốc cho quá trình điều trị hoặc các thiết bị phục vụ cho quá trình chẩn đoán [10]. Không chỉ có cấu trúc phù hợp cho việc mang và phân phối thuốc mà nano silica xốp còn an toàn không hề có tác dụng phụ gây độc tế bào, điều này đã mở ra cơ hội sử dụng và phát triển vật liệu này trong lĩnh vực y học đặc biệt là phân phối thuốc hoặc gen [11]. Với những đặc tính vượt trội như vậy thì PNS hứa hẹn sẽ là vật liệu có tiềm năng lớn nhất trong việc phát triển hệ thống phân phối thuốc bằng hạt nano. 1.1.2. Vật liệu nano silica xốp Vật liệu nano silica xốp (porous nanosilica - PNS) không giống những vật liệu silica thông thường có trong tự nhiên dù có thành phần chính là SiO2, các vật liệu silica lỗ xốp chỉ có thể hình thành bằng cách tổng hợp nhân tạo và sản phẩm sẽ có độ đồng đều rất cao. Vật liệu đang được nghiên cứu và phát triển ở trạng thái rắn (bột), mịn, có cấu trúc lỗ xốp dạng tổ ong và vì vậy vật liệu có khả năng hấp phụ tốt các nguyên tử/phân tử khác, thuận lợi cho việc làm chất mang. Để tạo các lỗ xốp cho vật liệu thông thường người ta sẽ sử dụng các chất hoạt dộng bề mặt để định hình về hình dạng và kích thước lỗ xốp. Ngoài ra những yếu tố quan trọng khác sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả sản phẩm đó là thời gian phản ứng, nhiệt độ, nồng độ các chất, xúc tác, phương pháp thực hiện và môi trường thực hiện phản ứng. Vật liệu nano