Luận án Tiến sĩ Khoa học Vật liệu: Nghiên cứu tổng hợp và biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:219

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án này nhằm 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. Mời các bạn cùng tham khảo!

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

to 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 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
i 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 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
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Đại Hải và GS.TSKH. Nguyễn Công Hào, 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 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 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 trường Đại học Trà Vinh đối với tôi trong quá trình thực hiện luận án. Luận án này được hỗ trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu cơ bản của Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), mã số 104.03-2018.46. 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 Nguyễn Thị Ngọc Trăm
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 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
iv 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
v 3.2.2. Đánh giá hình thái cấu trúc hạt nano silica rắn SSN...............................80 3.3. Kết quả tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ .........................................84 3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TEOS đến kích thước lớp vỏ 84 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
vi DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................129 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 1
vii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ viết đầy đủ HMSN Hollow mesoporous silica nanoparticles MSN Mesoporous silica nanoparticles SSN Solid 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 EPR Enhanced Permeability Resonance CMC Critical Micell Concentration 1 HNMR Proton Nuclear Magnetic Resonance FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy TGA Thermal Gravimetry Analysis DOX Doxorubicin SEM Scanning Electron Microscopy TEM Tranmission Electron Microscopy XRD X-ray Diffraction DLS Dynamic Light Scattering PDI Polydispersity Index XPS X-ray photoelectron spectroscopy BET Brunauer-Emmet-Teller UV-Vis Ultraviolet Visible Spectroscopy RSM Response Surface Methodology BBD Box–Behnken designs
viii 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
ix DANH MỤC ĐỒ THỊ Đồ thị 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ TEOS đến kích thước hạt tại nồng độ ban đầu cố định của NH3 (0,41 mol/l) và H2O (7,23 mol/l) ........................................................69 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
x 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
xi DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1. Sơ đồ tổng hợp theo quá trình sol – gel ..................................................10 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 ..........................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
xii 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
xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện của nano silica ..................................................................4 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể (a) và vô định hình (b) của nano silica ............................4 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
xiv 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
xv Hình 3.19. Ảnh TEM và sự phân bố kích thước hạt của HMSN-NH2 từ thống kê ảnh TEM tại các tỉ lệ khác nhau của APTES (µl )50 (a/a’), 100 (b/b’), 250 (c/c’), 500 (d/d’), và 800 (e/e’) ................................................................................................102 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-F127 116 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
1 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
2 rỗng định hướng ứng dụng mang thuốc chống ung thư” sẽ góp phần hoàn thiện hệ chất mang thuốc trên nền tảng vật liệu nano silica cấu trúc rỗng HMSN. Mục tiêu của luận án 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