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

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

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

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

2.1.2. Thiết bị .................................................................................................... 43

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

2.3. Phương pháp thực nghiệm ............................................................................. 44

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

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

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

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

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

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

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

2.3.8. Nghiên cứu hiệu quả nang hóa thuốc chống ung thư Doxorubicin (Dox)

của các chất mang nano HMSN, HMSN-NH2, HMSN-mPEG, HMSN-F127 . 64

2.3.9. Khảo sát tốc độ phóng thích thuốc Doxorubicin của hệ HMSN/Dox,

HMSN-NH2/Dox, HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox .............................. 65

2.3.10. Nghiên cứu độc tính tế bào đối với các hệ chất mang nano HMSN,

HMSN-NH2, HMSN-PEG, HMSN-F127, HMSN/Dox, HMSN-NH2/Dox,

HMSN-mPEG/Dox, HMSN-F127/Dox ............................................................ 67

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .............................................................. 69

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

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

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

3.1.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của ethanol ................................................ 72

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

3.1.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................... 75

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

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

3.2.1. Kết quả tổng hợp hạt nano silica rắn SSN .............................................. 76

3.2.2. 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

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 Polyethylene glycol PEG

Cetytrimethylammonium bromide CTAB

NPC p-nitrophenyl chloroformate

APTES (3-aminopropyl)-triethoxysilane

TEOS Tetraethoxysilane

EPR Enhanced Permeability Resonance

1HNMR

CMC Critical Micell Concentration

Proton Nuclear Magnetic Resonance

FTIR

Fourier Transform Infrared Spectroscopy Thermal Gravimetry Analysis TGA

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

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

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

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

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

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

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.

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

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. NANO SILICA

1.1.1. Giới thiệu về silica

Silicon dioxide (hay silica) là thành phần chính của lớp vỏ trái đất, kết hợp với

các oxide của magie, canxi và sắt tạo thành các khoáng chất silicate trong đá và đất.

Qua hàng triệu năm silicon dioxide đã được tách ra khỏi đá silicate ban đầu do tác

động của nước dẫn đến sự tạo thành thạch anh hay opal. Silica có thể là tự nhiên hoặc

tổng hợp, tinh thể hoặc vô định hình. Với mục đích nghiên cứu các ứng dụng trong

lĩnh vực Y-Sinh, luận án đề cập đến silica tổng hợp có cấu trúc vô định hình [5].

Silica có cấu trúc tứ diện SiO4, gồm bốn nguyên tử oxy tại bốn góc và một ion

silicon tại tâm của tứ diện. Tuy nhiên, bốn ion oxy lớn hơn nhiều so với ion Si4+ nên

bốn ion oxy của một đơn vị [SiO4]4- có thể tiếp xúc lẫn nhau (Hình 1.1). Silica chứa

liên kết Si – O, là liên kết bền nhất trong tất cả các liên kết nguyên tố Si-X với chiều

dài liên kết Si – O là 0,162 nm [5].

Hình 1.1. Cấu trúc tứ diện của nano silica

Trái ngược với silica tinh thể, silica vô định hình có sự sắp xếp ngẫu nhiên các

đơn vị [SiO4]4- tạo thành một cấu trúc không tuần hoàn (nonperiodic) (Hình 1.2). Kết

quả này dẫn đến sự khác nhau về khối lượng riêng của các loại silica, trong đó silica

cấu trúc vô định hình có khối lượng riêng nhỏ nhất là 2,20 g/ml tại 273K [5].

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

1.1.2. Keo silica và độ bền của hệ keo

“Keo silica” hay “sol” được tạo thành do sự phân tán bền các hạt silica vô

định hình kích thước từ 1 đến 1000 nm trong dung dịch. Bền trong trường hợp này

có nghĩa là các hạt nano silica không kết tụ lại với nhau với một tốc độ đáng kể. Độ

bền của hệ keo gồm ba loại: Độ bền pha tương tự như độ bền pha của các dung dịch

thông thường, độ bền của các thành phần phân tán nghĩa là liên quan đến sự thay đổi

độ phân tán (còn gọi là sự phân bố kích thước hạt), độ bền tập hợp là đặc trưng nhất

cho hệ keo được giải thích dựa trên lực van der Waals, lực hấp dẫn, lực tĩnh điện và

đặc biệt là thuyết DLVO (Derjaguin – Landau – Verwey – Overbeek). Theo thuyết

này, độ bền thấp dự đoán tại pH khoảng 2 – 3, sau đó tăng ở khoảng pH giữa 3 – 6

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

1.1.3. Cấu trúc của nano silica

Cấu trúc bề mặt hay bên trong của các hạt nano silica bao gồm nhóm silanol

(Si – OH) và nhóm siloxane (Si – O – Si) (Hình 1.3). Các nhóm silianol trên bề mặt

(có thể là đơn (isolated hay hydrogen bonded) hoặc gemini (hai nhóm hydroxyl trên

một nguyên tử silic)), tuy nhiên phổ biến nhất là isolated silianol (nhóm silanol tự do)

và gemini silanol tương ứng Hình 1.4.a và b [6]. Các nhóm silanol được hình thành

trong quá trình tổng hợp thông qua phản ứng ngưng tụ và polyme hóa của Si(OH)4

hoặc là kết quả của quá trình hydrat hóa. Các nhóm silanol này có thể được phân loại

theo tính chất, loại liên kết. Một nhóm silanol tự do bao gồm một nhóm OH tại vị trí

có khoảng cách đủ xa với các nhóm hydroxyl bên cạnh để ngăn chặn tạo thành liên

kết hydro. Nhóm silanol này cho một dải tín hiệu tại số sóng 3750 cm-1 trong phổ

hồng ngoại. Các nhóm OH bề mặt silica là trung tâm hấp phụ chính của các phân tử

nước. Nước có thể được liên kết bởi các liên kết hydro với bất kỳ loại silanol bề mặt

nào và đôi khi với các nhóm silanol bên trong cấu trúc. Đối với các cầu siloxane được

tạo thành bởi sự ngưng tụ các nhóm silanol bề mặt hay bên trong cấu trúc được thực

hiện ở nhiệt độ khoảng 500oC [5, 6].

Hình 1.3. Cấu trúc của nano silica với nhóm silanol, nhóm siloxane trên bề mặt (a) và bên trong (b)

Hình 1.4. Loại nhóm silianol trên bề mặt nano silica

1.1.4. Tính chất của nano silica

Nano silica là một loại bột trắng vô định hình, độ tinh khiết cao, không độc

hại, không mùi và thân thiện với môi trường. Đặc biệt, diện tích bề mặt và thể tích lỗ

xốp lớn, khối lượng riêng thấp và phân tán tốt. Hơn nữa, nano silica có độ bền cao kể

cả bền cơ học, hóa học và nhiệt [7].

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

vì chúng có độ chọn lọc và tính bền vững cao khi kết hợp với thuốc. Các chất mà

nano silica có thể mang được là thuốc, ADN, các hormone,… Đặc biệt, tính phân hủy

sinh học của nano silica là quan trọng đối với việc sử dụng trong việc phân phối thuốc,

nano silica có trọng lượng phân tử thích hợp có thể được đào thải qua thận trong cơ

thể và tính tương hợp sinh học cao. Đây được xem là một ưu điểm vượt trội của nano

silica [3].

Ngoài ra với tính chất dễ biến tính bề mặt, nhờ vào các dẫn xuất của silane như

(3-aminopropyl) trimethoxysilane,… mà các hạt silica có thể gắn được hầu hết các

vật liệu lên bề mặt một cách dễ dàng nên nano silica được ứng dụng rộng rãi trong

nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực y sinh [3].

1.1.5. Phương pháp tổng hợp

Sự tiến bộ trong công nghệ nano dẫn đến việc sản xuất nano silica được sử

dụng rộng rãi trong kỹ thuật và trong đời sống. Tuy nhiên, các hạt nano silica được

chiết xuất từ thiên nhiên chứa tạp chất kim loại và do đó không thuận lợi cho các ứng

dụng khoa học và công nghệ tiên tiến, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Do đó, việc

tập trung tổng hợp silica (keo silica, silica gel, pyrogenic silica) với độ tinh khiết cao,

chủ yếu ở dạng bột vô định hình giữ vai trò quan trọng. Hiện nay, các phương pháp

khác nhau đã được sử dụng để tổng hợp các hạt nano silica, có thể được phân loại

thành hai phương pháp chính: từ trên xuống và từ dưới lên (Hình 1.5) [8, 9]. Cách

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

sử dụng các kỹ thuật đặc biệt (phương pháp vật lý). Cách tiếp cận từ dưới lên (hay

gọi là phương pháp hóa học) là phương pháp phổ biến được sử dụng để tổng hợp hạt

nano. Một số phương pháp được sử dụng để tổng hợp nano silica là phương pháp

Stober, quá trình sol – gel và vi nhũ tương đảo [8].

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

Phương pháp Stober

Phương pháp Stober được chính nhà khoa học cùng tên Stober và Arthur Fink

công bố vào năm 1968. Theo đó, một hệ phản ứng hóa học được phát triển cho phép

sự tăng trưởng có kiểm soát của các hạt nano silica hình cầu có kích thước đồng đều

thông qua phản ứng thủy phân của alkyl silicate và sự ngưng tụ của silicic axit trong

alcohol. Ammonia được dùng như là chất một chất xúc tác hình thái. Các hạt nano

tạo thành có dạng hình cầu, đơn phân tán và có kích thước từ nhỏ hơn 0,05 µm đến 2

µm [10].

Thông qua các chất tham gia phản ứng gồm nước, alkyl silicate, alcohol và

ammonia có thể kiểm soát được kích thước hạt. Đối với các loại alcohol khác nhau,

kích thước hạt nhỏ nhất được tìm thấy trong methanol và lớn nhất trong n-butanol

trong cùng điều kiện so sánh. Ngoài ra, có sự phân bố kích thước hạt với dải rộng đối

với các alcohol bậc cao hơn. Kết quả so sánh với các alkyl silicate cho thấy phản ứng

xảy ra nhanh nhất, kích thước hạt nhỏ nhất (nhỏ hơn 0,2 µm) được tạo thành với

tetramethyl ester, trong khi với tetrapentyl ester phản ứng xảy ra chậm (mất 24 giờ

cho phản ứng ngưng tụ và kích thước hạt tạo thành lớn [10].

Có hai mô hình chính giải thích quá trình tạo thành hạt SiO2 theo phương pháp

Stober. Thứ nhất: mô hình tăng trưởng bổ sung monomer (monomer addition), liên

quan đến sự tạo mầm khi vượt quá giới hạn siêu bão hòa và phát triển mầm bằng cách

ngưng tụ các monomer silicic axit trên bề mặt của các hạt hiện có (mầm) [11, 12].

Kết quả của cơ chế tăng trưởng này dẫn đến sự hình thành cấu trúc bên trong của các

hạt tương ứng với mô hình I trong Hình 1.6. Mô hình thứ hai (II) liên quan đến cơ

chế kiểm soát sự kết tụ của các hạt phụ, kích thước vài nano (mô hình tăng trưởng

tập hợp) [12, 13]. Theo mô hình này, sự tạo thành các hạt silicon dioxide trong

phương pháp Stober là do sự kết tụ các hạt sơ cấp của phân tử silica kích thước (d) từ

5 đến 10 nm được tạo thành do phản ứng thủy phân TEOS (tetraethyl orthosilicate).

Tuy nhiên, khi kích thước giới hạn của hạt (D) đạt khoảng 350 nm thì sự kết tụ sẽ kết

thúc. Khi đạt đến một tỷ lệ tới hạn nhất định d/D, các hạt sơ cấp không thể vượt qua

hàng rào lực đẩy tĩnh điện của khí quyển ion (ion atmosphere) xung quanh các hạt

đang tăng trưởng và chúng bắt đầu tạo thành các hạt mới với đường kính nhỏ hơn.

Đặc biệt, mô hình thứ ba (III) gồm một lõi trung tâm được tạo thành từ các hạt sơ cấp

(mô hình II) và lớp vỏ được tạo thành từ các hạt thứ cấp có kích thước nhỏ hơn 100

nm [14].

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

Ngoài ra, cơ chế tạo thành hạt được đề xuất bằng phương pháp SFB (Stober –

Fink- Bohn) đa lớp. Cơ chế mô tả được xác định bởi tính tuần hoàn của sự tăng trưởng

các hạt đa lớp khi những hạt nano tạo thành giai đoạn trước đó được sử dụng như là

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

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

Quá trình sol – gel

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

có thể kiểm soát kích thước hạt, sự phân bố kích thước hạt và hình thái thông qua

việc kiểm soát một cách hệ thống các thông số phản ứng và được thực hiện ở nhiệt

độ thấp [8, 15]. Đặc biệt quá trình này còn có khả năng kiểm soát cấu trúc và bề mặt

của vật liệu [5]. Quá trình này bao gồm các giai đoạn: sự thủy phân và ngưng tụ của

các alkoxide kim loại (Si(OR)4) như TEOS hay muối vô cơ như Na2SiO3 (natri

silicate) trong axit hay bazơ như là chất xúc tác tạo thành keo silica. Tiếp theo là giai

đoạn già hóa keo và làm khô gel ướt để loại bỏ các chất lỏng còn lại hay nhiệt xử lý

gel khô để loại bỏ các chất hữu cơ, kết quả tạo thành xerogel hay aerogel tùy thuộc

vào cách làm khô mẫu hay khi đông khô sẽ tạo cryogel [5, 16]. Sơ đồ tổng quát cho

quá trình sol – gel kết quả tạo thành silica khi dùng tiền chất chứa silicon là alkoxide

(Si(OR)4) thể hiện trong Sơ đồ 1.1 [8].

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

Phản ứng tổng quát của TEOS dẫn đến sự hình thành các hạt nano silica trong

quá trình sol - gel được thể hiện trong Hình 1.8 [13].

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

Sự thủy phân của các phân tử TEOS tạo thành các nhóm silanol. Sự ngưng tụ/

trùng hợp giữa những nhóm silanol hoặc giữa những nhóm silanol và nhóm epoxy

tạo ra các cầu siloxane (Si – O – Si) để hình thành toàn bộ cấu trúc silica. Sự tạo thành

các hạt silica có thể được chia thành hai giai đoạn: tạo mầm và phát triển mầm. Quá

trình sol – gel cũng sử dụng hai mô hình được đề xuất trên để mô tả cơ chế tăng

trưởng silica [17].

Nhiều nhà nghiên cứu đã nỗ lực để xác định kích thước của các hạt sơ cấp

bằng các kỹ thuật khác nhau. Thông qua kỹ thuật SAXS (Small Angle X-ray

scattering), Green và cộng sự cho thấy kích thước hạt sơ cấp là 10,3 nm (trong

methanol) hoặc 20,7 nm (trong ethanol). Sau đó, Rahman và cộng sự tạo ra hạt nano

silica đồng nhất và ổn định với kích thước trung bình 7,1 ± 1,9 nm (trong ethanol)

[8].

Như vậy, các hạt nano silica hình cầu, đơn phân tán được báo cáo lần đầu tiên

bởi Stober và cộng sự. Các hạt silica kích thước khoảng từ 5 nm đến 2000 nm từ dung

dịch cồn của alkoxide với sự có mặt của ammonia làm chất xúc tác (điều kiện cơ bản).

Theo đó, nhiều công trình nghiên cứu về tổng hợp nano silica tiếp theo đều dựa trên

nền tảng phương pháp Stober, chẳng hạn như quá trình sol – gel. Và ưu điểm chính

của phương pháp Stober là khả năng hình thành các hạt nano silica hình cầu, đơn

phân tán so với các hệ phản ứng dùng xúc tác axit thường có thể tạo thành cấu trúc

gel [5, 8].

Phương pháp vi nhũ tương

Phương pháp vi nhũ tương trong tổng hợp các hạt nano được công bố đầu tiên

bởi Boutonnet và cộng sự vào năm 1980. Boutonnet đã tổng hợp một số keo của các

kim loại quý [18]. Phương pháp vi nhũ tương có một số tính chất hữu ích như độ bền

cao, kích thước hạt nhỏ (cấu trúc bên trong). Ngoài ra, kích thước và hình dạng có

thể được kiểm soát bằng cách thay đổi thành phần [19]. Vi nhũ tương có thể được mô

tả như là một hệ bền nhiệt động của hai chất lỏng không hòa tan. Pha phân tán có thể

tích thấp hơn sẽ tạo thành các giọt trong vi nhũ tương [20]. Các dung dịch phân tán

có thể được phân loại là dầu trong nước (O/W), tại đó các giọt dầu tồn tại trong nước

hoặc ngược lại nước trong dầu (W/O), trong đó các giọt nước phân tán trong dầu.

Ngoài ra còn có hệ dầu trong dầu (O/O), tại đó hai loại dầu (phân cực và không phân

cực) trộn với nhau [21]. Hệ vi nhũ tương gồm ít nhất ba thành phần là phân cực, pha

không phân cực và chất hoạt động bề mặt.

Các chất hoạt động bề mặt trong hệ nhũ tương hoạt động như chất nhũ hóa.

Các phân tử amphiphilic được phân loại (dựa vào điện tích của các nhóm đầu) như

chất hoạt động bề mặt không ion, anionic, cation và zwitterionic (mang cả hai nhóm

điện tích âm và dương). Một số chất hoạt động bề mặt phổ biến đã được sử dụng để

tổng hợp các hạt nano bằng phương pháp vi nhũ tương như Cetyl trimethyl

ammonium bromide (CTAB) là chất hoạt động bề mặt cation, dioctylsulfosuccine

natri (AOT) là anion, phosphatidylcholine (PC) là zwitterionic và Triton X-100 là

không ion thể hiện trong Sơ đồ 1.2 [22].

Sơ đồ 1.2. Sơ đồ (a) của các loại chất bề mặt hoạt động khác nhau và cấu trúc (b) của một số chất hoạt động phổ biến được sử dụng trong tổng hợp vi nhũ tương của các hạt nano

Các phân tử chất hoạt động bề mặt này hấp phụ tại các bề mặt (ranh giới giữa

hai pha không tan vào nhau) và được dùng để làm bền các vi nhũ tương bằng cách

giảm sức căng bề mặt và năng lượng tự do [23]. Một đặc tính khác của chất hoạt động

bề mặt là xu hướng kết tụ lại tạo thành micell tại một nồng độ cụ thể, gọi là nồng độ

micell tới hạn (the critical micell concentration – CMC). Trong vi nhũ tương O/W,

đầu ưa nước của chất hoạt động bề mặt hướng ra ngoài từ micell (để tiếp xúc với

nước) và kị nước liên kết trong lõi (trong các giọt dầu) gọi là “micell thường”. Ngược

lại, trong vi nhũ tương W/O sẽ tạo thành “micell đảo” (Sơ đồ 1.3). Lõi của các vi nhũ

tương đảo (micell đảo) có thể đóng vai trò quan trọng và hiệu quả đối với quá trình

tổng hợp các hạt nano [22].

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

Phương pháp vi nhũ tương được sử dụng để tổng hợp hạt nano silica được báo

cáo bởi Tan và cộng sự [24]. Theo đó, chất hoạt động bề mặt được hòa tan trong dung

môi hữu cơ để tạo thành các hạt micell hình cầu, trong sự có mặt của nước thì các

đầu phân cực tự co cụm lại với nhau tạo thành lỗ mao quản chứa nước thường được

gọi là micell đảo.

Các hạt nano silica đơn phân tán có kích thước từ 30 nm đến 70 nm được tổng

hợp bằng cách thủy phân TEOS trong vi nhũ tương đảo được tạo thành từ

polyoxyetylen(5)nonylphenyl ether (NP-5)/cyclohexane/ammonia [25, 26]. Kích

thước hạt phụ thuộc vào tỷ lệ mol nước - chất hoạt động bề mặt (Wo) và vào nồng

độ của dung dịch ammonia. Đặc biệt, mối tương quan giữa cấu trúc mao quản của vi

nhũ tương và tính chất của vật liệu tạo thành rất phức tạp, có khả năng bị ảnh hưởng

bởi các sản phẩm phụ do chúng có thể làm thay đổi cấu trúc vi nhũ tương. Chẳng hạn

như ethanol được tạo ra trong quá trình thủy phân TEOS trong nhũ tương W/O

(CTAB/pentanol/hexane/nước) làm thay đổi cấu trúc từ các micell đảo nhỏ riêng lẻ

thành micell lớn hơn [27, 28]. Ngoài ra, trong quá trình tổng hợp các hạt nano silica,

các hạt nano có thể được phát triển bên trong các lỗ mao quản bằng cách kiểm soát

cẩn thận việc bổ sung silicon alkoxide và xúc tác vào môi trường chứa các micell đảo.

Phương pháp vi nhũ tương đảo có nhược điểm chính là chi phí cao và khó khăn trong

việc loại bỏ các chất hoạt động bề mặt trong các sản phẩm cuối cùng. Tuy nhiên,

phương pháp này đã được áp dụng thành công cho việc phủ các hạt nano với các

nhóm chức khác nhau [8].

1.1.6. Cấu tạo của nano silica cấu trúc rỗng

Nano silica cấu trúc rỗng là một loại đặc biệt của vật liệu nano silica cơ bản

với cấu tạo đặc biệt gồm hai phần. Đầu tiên là khoảng trống bên trong, nhờ vào

khoảng trống này HMSN có thể mang một lượng thuốc lớn hơn nhiều so với MSN

(Hình 1.9a). Để tạo khoảng trống bên trong, các nhà khoa học sử dụng các loại hạt

như hạt nano carbon, nano polystyren, nano sắt từ, nano silica,… để định hình trước

khi sử dụng các phương pháp hóa học hay vật lý để loại bỏ chúng [29]. Thứ hai là

lớp vỏ mao quản bên ngoài (Hình 1.9b), lớp vỏ này được tạo thành từ hai thành phần

là chất tiền thân silica và chất hoạt động bề mặt. Chất tiền thân silica thường được sử

dụng là TEOS, chất hoạt động bề mặt là Cetyltrimethylamnonium bromide (CTAB)

hoặc Octadecyltrimethoxysilane (C18TMS) [30, 31]. Trong khi CTAB là chất rắn màu

trắng dạng bột thì C18TMS là dung dịch trong suốt, tùy vào quy trình tổng hợp mà

các nhà khoa học chọn sử dụng CTAB hay C18TMS. Sau khi phủ lớp vỏ bằng chất

hoạt động bề mặt và chất tiền thân silica, sẽ tiến hành nung tại 550oC hoặc thẩm tách

bằng ethanol/axit acetic để loại bỏ chất hoạt động bề mặt tạo thành lớp vỏ mao quản

[32-34].

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

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

Các hạt nano silica cấu trúc rỗng thể hiện các đặc điểm cấu trúc độc đáo được

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Thứ nhất, sự kết hợp lỗ rỗng bên trong và lớp vỏ mao

quản trong cấu trúc làm cho các hạt HMSN có khối lượng riêng thấp và có tính thấm

cao [29, 35]. Thứ hai, khoảng trống bên trong hạt HMSN có thể được dùng như nơi

chứa để tải các chất xúc tác trong phản ứng xúc tác hay làm chất mang nano để lưu

trữ và phân phối thuốc cho các ứng dụng y sinh sau khi được biến tính làm bền bề

mặt. Thứ ba, lớp vỏ với độ dày kích thước nano rất thuận lợi để chuyển lượng chất

phản ứng và sản phẩm ra/ vào lỗ rỗng, chủ yếu cho các pha lỏng, hay mang và phóng

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

vỏ ngắn hơn nhiều thì sự khuếch tán trở nên ít quan trọng, bề mặt bên trong lớp vỏ

được sử dụng hiệu quả hơn khi các hạt HMSN được dùng như chất hỗ trợ xúc tác

[36]. Ngoài ra, HMSN dễ dàng biến tính bề mặt thông qua các liên kết Si – OH. Do

đó, HMSN đã chứng minh được tiềm năng lớn trong lĩnh vực đóng gói

(encapsulation), kiểm soát mang và phóng thích thuốc, lĩnh vực xúc tác, lĩnh vực hấp

phụ và tách [37].

1.1.8. Phương pháp tổng hợp nano silica cấu trúc rỗng

Các phương pháp tổng hợp các hạt nano silica cấu trúc rỗng đã được các nhà

khoa học tập trung nghiên cứu. Theo loại khuôn (template) để tạo ra lỗ rỗng bên trong

có thể chia thành phương pháp soft-template (khuôn mềm), hard-template (khuôn

cứng) và phương pháp self-template (tự tạo khuôn). Trong đó, phương pháp soft-

template liên quan đến việc trực tiếp tạo ra cả lỗ rỗng và vỏ thông qua việc tự lắp ráp

giữa các phân tử tiền chất và khuôn chất hoạt động bề mặt hữu cơ/các chất hữu cơ

khác. Ở đây, các khuôn (hay lõi) thường là các giọt của các phân tử tiền chất, chất

hoạt động bề mặt sẽ được loại bỏ sau quá trình tạo thành hạt rỗng. Đối với phương

pháp hard-template, một số hạt rắn cứng được chuẩn bị làm lõi và sẽ được xử lý sau

khi tạo lớp vỏ cấu trúc mao quản trên lõi, trong đó lớp vỏ được tạo ra bởi sự tự lắp

ráp giữa các tiền chất và micell chất hoạt động bề mặt [38, 39].

Phương pháp hard- template

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

để sử dụng làm lõi cứng, tạo lớp vỏ ít bị ăn mòn và có kích thước nano trên lõi và

cuối cùng là xử lý lõi một cách có chọn lọc tạo thành lỗ trống bên trong lớp vỏ (Hình

1.10). Trong đó, giai đoạn phủ lớp vỏ trên lõi, đòi hỏi sự tương thích giữa vật liệu lõi

và vỏ. Do đó, trước khi phủ lớp vỏ thì bề mặt lõi được biến tính để tạo ra các tương

tác vật lý và hóa học với tiền chất tạo lớp vỏ. Cơ chế của phương pháp này là dựa

trên sự khác biệt tính chất giữa phần lõi và phần vỏ, từ đó sử dụng chất ăn mòn thích

hợp để loại bỏ phần lõi bên trong mà không ảnh hưởng đến phần vỏ bên ngoài. Thực

tế thì phương pháp này được cải tiến từ phương pháp soft – template nhằm khắc phục

hai khuyết điểm là khó kiểm soát quá trình tạo hạt và kích thước hạt. Thay vì sử dụng

các vật liệu mềm, phương pháp này sử dụng các vật liệu cứng thường là các hạt rắn

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

này chỉ bị loại bỏ ở điều kiện thích hợp, các vật liệu cứng thường được sử dụng làm

lõi trong phương pháp này là polymer latex, hạt carbon rắn và hạt silica rắn [36, 40].

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

phương pháp hard – template

a) Lõi poly latex

Điểm nổi bật của polymer latex so với các vật liệu mềm là các hạt có kích

thước cụ thể và có thể điều chỉnh được, các lõi poly latex hình cầu thường được dùng

để tạo thành lỗ rỗng [41]. Xia và các cộng sự đã sử dụng lõi latex để chế tạo thành

công hạt silica rỗng, tuy nhiên phần vỏ của hạt có cấu trúc vi mao quản. Với phương

pháp này, đường kính lỗ rỗng có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách chọn các lõi

poly latex có kích thước khác nhau, trong khi độ dày lớp vỏ điều chỉnh bằng cách

thay đổi tỉ lệ giữa silica/ latex trong quá trình tổng hợp [42, 43].

Năm 2008 Haiqing Li sử dụng lõi polystyrene (PS) hình cầu trong tổng hợp

hạt nano silica cấu trúc rỗng [44]. Hay năm 2011, Qiu và cộng sự cũng sử dụng hạt

keo polystyrene (PS) mang điện âm để hỗ trợ quá trình tự lắp ghép (self-assembly)

giữa silica vô cơ và micell chất hoạt động bề mặt trong môi trường pH > 12. Trong

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

đó loại bỏ lõi và chất hoạt động bề mặt bằng cách nung ở nhiệt độ cao tạo thành các

hạt nano silica rỗng hình cầu [45].

b) Lõi hạt carbon rắn

Các nhà khoa học cũng sử dụng các hạt carbon rắn đơn phân tán để định hình

phần lõi bên trong, các hạt này được tổng hợp từ glucose dưới điều kiện thủy nhiệt

tại 160 – 180oC [46]. Sau đó lõi carbon rắn có thể được xử lý khi nung tại nhiệt độ

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

c) Lõi nano silica hình cầu

Cùng với latex và hạt carbon rắn, một vật liệu cứng thường được sử dụng để

định hình cấu trúc lõi là hạt silica rắn, được tổng hợp từ chính tiền chất chứa silica.

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

không cần phải chức hóa bề mặt trước khi thực hiện phủ vỏ. Ngoài ra, phương pháp

Stober để tạo nên nano silica rắn đã có từ năm 1968, được các nhà khoa học hoàn

thiện dần theo thời gian và cho thấy sự hiệu quả đến ngày nay. Bằng cách kết hợp với

phương pháp Stober, quá trình tăng trưởng Giesche và phương pháp Kaise đã tạo nên

hạt nano silica hình cầu đơn phân tán có cấu trúc lõi – vỏ gồm lõi là SiO2 rắn và lớp

vỏ silica cấu trúc mao quản. Trong đó, lớp vỏ được tạo thành bởi quá trình sol – gel

TEOS và octadecyltrimethoxysilane (C18TMS), sau đó loại bỏ các chất hữu cơ tạo

thành cấu trúc mao quản và loại bỏ lõi rắn để tạo thành lỗ rỗng. Điểm khác biệt duy

nhất là SiO2 có thể được loại bỏ bằng môi trường bazơ thay vì phải dùng nhiệt như

hai phương pháp trên có thể ảnh hưởng đến cấu trúc HMSN tạo thành [48].

d) Một số lõi rắn khác

Ngoài các lõi rắn được đề cập ở trên, một vài oxide vô cơ hoặc oxide kim loại

cũng có thể được sử dụng làm lõi rắn, chẳng hạn như α-Fe2O3 [49]. Ngoài ra, bằng

cách sử dụng các hạt nano hydroxyapatite (HA) như là lõi rắn, có thể được loại bỏ

bằng cách ăn mòn, đã tạo nên hạt nano silica rỗng. Hình thái và kích thước của HMSN

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

CaCO3 hình cầu [51].

Phương pháp soft– template

Trong phương pháp soft– template, các hạt nano silica cấu trúc rỗng được tổng

hợp từ các khuôn mềm như micell, các giọt nhũ tương trong một chất lỏng hai pha

[52], tập hợp nhiều polymer [53], bong bóng khí [54],… để tạo cấu trúc lõi bên trong,

bên ngoài được phủ một lớp vỏ mao quản là sự kết hợp giữa chất hoạt động bề mặt

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

và HMSN được hình thành. Điểm chung của các vật liệu mềm này là rất dễ loại bỏ

thậm chí ở điều kiện thường và đó cũng là nguyên nhân mà phương pháp soft –

template không được sử dụng nhiều. Việc các vật liệu mềm dễ bị loại bỏ dẫn đến khó

khăn cho các nhà khoa học trong việc kiểm soát quá trình tạo hạt. Nguyên nhân thứ

hai là các vật liệu mềm này có kích thước nhỏ và khả năng mở rộng không cao nên

phạm vi ứng dụng hẹp, không thể mang các phân tử có kích thước lớn [40].

Các hạt micell được cấu tạo từ các chất hoạt động bề mặt là vật liệu mềm

thường được sử dụng nhất trong phương pháp soft – template vì nó có độ bền cao.

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

bao gồm 4 thành phần chính là nước, dầu, chất hoạt động bề mặt và dung dịch kiềm.

Đầu tiên nước, chất hoạt động bề mặt được hòa chung với nhau và ở một nồng độ

nhất định chất hoạt động bề mặt sẽ tạo thành cấu trúc micell. Tiếp đó, tiền chất silia

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

sẽ nằm bên trong cấu trúc micell. Tuy nhiên, dung dịch kiềm sẽ thủy phân chậm tiền

chất silica làm chúng trở nên ưa nước và ngưng tụ lại trên bề mặt các micell. Cuối

cùng, các chất hoạt động bề mặt bị loại bỏ và tạo thành HMSN [35, 55].

Phương pháp self – template

Phương pháp self – template được báo cáo gần đây, gồm hai giai đoạn: (i)

Tổng hợp các hạt nano giữ vai trò là “khuôn”, (ii) Chuyển những khuôn này thành

cấu trúc rỗng. Không giống như các phương pháp tạo khuôn thông thường, các khuôn

theo phương pháp này không chỉ cung cấp khuôn để tạo thành cấu trúc rỗng mà còn

trực tiếp tham gia vào sự hình thành lớp vỏ. Các khuôn có cùng thành phần với vật

liệu vỏ hoặc cuối cùng sẽ biến đổi hóa học thành vật liệu vỏ. Phương pháp này dự

kiến sẽ cung cấp một quy trình đơn giản và hiệu quả hơn về chi phí sản xuất vật liệu

rỗng. Tuy nhiên cũng có những thách thức đặt ra như độ ổn định của hạt, độ phân tán

[56, 57].

1.1.9. Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng

Các phương pháp biến tính bề mặt nano silica

Bề mặt nano silica với các nhóm silanol trên bề mặt nên cần được biến tính

với các nhóm chức hoạt động, là tiền đề cho các phản ứng biến tính bề mặt với các

phân tử hữu cơ khác. Các phương pháp biến tính bề mặt nano silica bao gồm phương

pháp đồng ngưng tụ “co-condensation” và phương pháp grafting [58].

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

Phương pháp này lần đầu tiên được đề xuất bởi Burkett và cộng sự. Quá trình

tổng hợp được thực hiện bằng cách đồng ngưng tụ tetraalkoxysilanes có thể là TEOS

và trialkoxyorganosilanes chẳng hạn như APTES thể hiện qua Sơ đồ 1.4 và Hình 1.11

[59, 60].

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

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

b) Phương pháp grafting

Grafting là một phương pháp được sử dụng phổ biến nhất vì tổng hợp tương

đối đơn giản. Sự hiện diện của silanol trên bề mặt với nồng độ cao là một tiêu chí

quan trọng trong phương pháp này [61]. Quá trình biến tính bề mặt mặt với các nhóm

hữu cơ bằng cách grafting thường được thực hiện bằng cách silylation, được thực

hiện bằng một trong ba phương trình thể hiện trong Sơ đồ 1.5 và Hình 1.12 [59, 62].

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

phương pháp grafting

Hình 1.12. Phương trình phản ứng theo phương pháp grafting

Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với methoxy ethyleneglycol

(mPEG)

a) Hoạt hóa mPEG bằng p-nitrophenyl chloroformate

Phản ứng thế thân hạch trên carbon của nhóm carbonyl diễn ra thuận lợi ở

nhiệt độ 60 - 65ºC.

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

Phản ứng xảy ra theo cơ chế tương tự như phản ứng ester hóa. Trong cấu trúc

của tác chất p-nitrophenyl chloroformate (NPC), liên kết C=O có tính chất không no

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

tử carbon, tạo ra một trung tâm thân điện tử.

Hình 1.14. Trung tâm thân điện tử trên nhóm carbonyl

Trong khi đó, trên nguyên tử oxy của nhóm –OH của phân tử mPEG còn hai

đôi điện tử tự do, nên nguyên tử oxy có vai trò như tác nhân ái nhân. Trung tâm thân

điện tử trên nguyên tử carbon của phân tử NPC gặp tác nhân ái nhân trên phân tử

mPEG sẽ tương tác với nhau và tạo thành sản phẩm mPEG-NPC.

Điều đáng chú ý là tác nhân NPC có hoạt tính rất mạnh, dễ bị thủy phân trong

môi trường có nước. Do đó, để đạt được hiệu suất phản ứng tốt nhất, phản ứng phải

được thực hiện trong môi trường khan nước và trong môi trường nitơ khô, tất cả các

dung môi phải được làm khan trước khi dùng.

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

Do tác động của hiệu ứng hút điện tử từ nhóm nitrophenyl lên liên kết ester

trong phân tử mPEG-NPC, làm cho liên kết carbonyl bị phân cực mạnh, kết quả làm

carbon trên nhóm carbonyl trở nên dương điện hơn. Khi có mặt của tác nhân thân

hạch như nhóm amino trên bề mặt các hạt silica cấu trúc rỗng, nitơ trên nhóm amino

còn dư một cặp electron chưa liên kết nên có khả năng gắn lên carbon dương điện,

đồng thời đẩy nhóm nitrophenolate để hình thành sản phẩm nano silica cấu trúc rỗng

đã phủ polyethylene glycol và sản phẩm phụ p-nitrophenol.

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

1.2. THUỐC TRỊ UNG THƯ DOXORUBICIN

1.2.1.Giới thiệu thuốc Doxorubicin

Doxorubicin được bán dưới tên thương mại Adriamycin cùng với một số

những tên khác, là một loại thuốc hóa trị liệu được sử dụng để điều trị ung thư.

Doxorubicin được tiêm vào tĩnh mạch. Đây là một loại kháng sinh gây độc tế bào

thuộc nhóm anthracyclin, bao gồm một đơn vị đường amino là daunosamin liên kết

với một aglycone bốn vòng thông qua liên kết glycoside. Cấu trúc hóa học của

doxorubicin được thể hiện trong Hình 1.16. Doxorubicin hoạt động bằng cách liên

kết với các enzym liên kết DNA, có thể đan xen các cặp bazơ của chuỗi xoắn kép

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

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

đó đẫn đến tổn thương DNA. Ngoài ra, doxorubicin cũng được biết là tự đan xen vào

DNA, với sự ức chế cả DNA và RNA, kết quả là ngừng sao chép DNA và phiên mã

RNA [63-65].

Hình 1.16. (1) Cấu trúc hóa học và (2) ảnh hưởng của doxorubicin đến sự chết tế bào

Doxorubicin được chấp thuận cho sử dụng y tế tại Hoa Kỳ vào năm 1974. Nó

nằm trong danh sách các thuốc thiết yếu của Tổ chức Y tế Thế giới, tức là nhóm các

loại thuốc hiệu quả và an toàn nhất cần thiết trong một hệ thống y tế [66]. Doxorubicin

được sử dụng để điều trị bệnh ung thư vú, ung thư bàng quang, sarcoma Kaposi, ung

thư hạch và ung thư bạch cầu lympho cấp tính.

1.2.2. Tác dụng phụ

Doxorubicin là một chất hóa trị liệu hiệu quả giúp tăng khả năng sống sót của

bệnh nhân ung thư, nhưng việc sử dụng nó bị cản trở do độc tính trên tim. Độc tính

trên tim, một tác dụng phụ rõ ràng của doxorubicin, có thể xuất hiện hai mươi năm

sau khi điều trị như một tác dụng phụ cấp tính hoặc mãn tính. Tác dụng phụ này đặc

biệt đáng kể đối với trẻ em đã được điều trị bằng doxorubicin. Ngoài ra, rụng tóc

cũng là tác dụng phụ thường gặp hay buồn nôn, các vấn đề về đường tiêu hóa và rối

loạn hệ thần kinh (thường gây ra ảo giác và choáng váng) [63, 65].

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

đã nêu trên, phương pháp đưa thuốc vào hệ chất mang nano để tạo thành hệ phân phối

thuốc hướng đích được sự quan tâm của các nhà khoa học.

1.3. MỘT SỐ POLYMER ĐƯỢC SỬ DỤNG BIẾN TÍNH BỀ MẶT NANO

SILICA CẤU TRÚC RỖNG

1.3.1. Poly ethylene glycol

Poly ethylene glycol

Poly (ethylene glycol) (PEG) hay gọi là poly (ethylene oxide) (PEO). Poly

ethylene glycol (PEG) là một polymer tương thích sinh học, không độc, tan trong

nước và là polymer được dùng nhiều nhất trong vật liệu sinh học, công nghệ sinh học

và thuốc được FDA (Food and Drug Administration) phê duyệt sử dụng. Trong lĩnh

vực dẫn truyền thuốc, hệ PEG – thuốc để tăng cường khả năng hòa tan, kéo dài thời

gian lưu thông trong cơ thể, giảm sự đào thải qua thận, giảm độ độc và thay đổi sự

phân bố sinh học [67].

Ứng dụng của các loại PEG trong y sinh

Bảng 1.1. Các loại PEG liên hợp và ứng dụng

PEG liên hợp được trình bày đầu tiên trong những năm 1970 bởi Davies và

Abuchowsky trong việc biến tính bề mặt albumin và enzyme catalaza (enzyme xúc

tác sự phân hủy hydroperoxit thành oxy phân tử và nước). Đây là một dấu mốc rất

quan trọng, bởi vì thời gian này vẫn chưa có ai nghĩ rằng có thể biến tính một enzyme

mà vẫn giữ được nguyên hoạt tính của nó [68, 69].

Về mặt dược học, gắn PEG vào bề mặt giúp giảm một số quá trình không mong

muốn. Trong ứng dụng thay thế gần đây đó là tạo liên kết PEG-liposome làm kéo dài

thời gian lưu thông của hệ chất mang trong cơ thể. Như vậy PEG gắn trên bề mặt

lipid nói riêng cũng như gắn lên bề mặt thuốc nói chung giúp tránh đi sự đào thải của

hệ miễn dịch [70].

Tính tan của PEG trong môi trường nước là chìa khóa quan trọng trong ứng

dụng sinh học và y sinh. Dung dịch PEG trong nước hoạt động rất mạnh. Trong các

nghiên cứu về polymer mạch thẳng và sắc ký gel cho thấy PEG và các dẫn xuất của

nó như mPEG tan trong nước nhiều hơn các phân tử khác (như protein,…) có cùng

khối lượng phân tử, vì thế ứng dụng của tính chất này là PEG có thể đẩy các polymer

khác và hình thành 2 pha nếu nồng độ PEG đủ cao [70] .

Trong sinh học, PEG phân tách giữa môi trường nước và màng tế bào do người

ta nhận thấy rằng PEG có khả năng dung hợp tế bào, ứng dụng này rất quan trọng

trong việc tạo ra các kháng thể. Độ tan của PEG và sự phân tách có khả năng thay đổi

bằng cách gắn thêm các đuôi kỵ nước, điều này có thể được sử dụng trong việc điều

khiển sự phân chia pha của PEG trong hệ hai pha, như benzen và nước, khi thêm các

đuôi kỵ nước sẽ làm cho PEG phân bố nhiều hơn trong pha hữu cơ. PEG có tính chất

rất thú vị khi tạo ra được mối liên kết hay cầu nối từ phân tử có hoạt tính đến bề mặt,

điều này giúp giải quyết được vấn đề hấp phụ chọn lọc protein trên bề mặt. Thêm vào

đó, các phân tử được gắn vào bề mặt cho thấy hoạt tính cao hơn phân tử tự do [71].

1.3.2. Pluronic

Pluronic (F127) được FDA phê duyệt và liệt kê trong Dược điển của Hoa Kỳ

và châu Âu, còn được gọi là Poloxamer 407, đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng

rãi trong dẫn truyền thuốc do tính tương hợp sinh học cao và đặc biệt là nhạy nhiệt

[72, 73]. Giá trị LCST (lower critical solution temperatures) của F127 có thể thay đổi

từ 25 - 37oC bằng cách điều chỉnh nồng độ, điều này có nghĩa là F127 là có dạng

chuỗi ở nhiệt độ phòng và co cụm tại nhiệt độ cơ thể [74, 75]. Dựa vào các ưu điểm

này, F127 là vật liệu phổ biến để tổng hợp nano nhạy nhiệt để phóng thích thuốc có

kiểm soát [75-77]. Gần đây, poloxamer này đã được nghiên cứu biến tính trên bề mặt

các chất mang nano như dendrimer, MSN nhằm cải thiện tốc độ phóng thích thuốc

trong điều trị bệnh ung thư. Đặc biệt, đối với hệ chất mang có cấu trúc mao quản,

F127 giữ vai trò như là các nắp đậy để giữ thuốc bên trong các lỗ mao quản sau khi

được nang hóa và ngăn chặn sự phóng thích thuốc nhanh chóng khi sử dụng [78, 79].

Theo nhóm nghiên cứu, trong thời điểm này chưa có công bố về hệ chất mang HMSN-

F127 như là hệ dẫn truyền thuốc điều trị bệnh ung thư do đó tiến hành tổng hợp và

đánh giá khả năng mang – phóng thích thuốc của hệ HMSN-F127.

Hình 1.17. Cấu trúc phân tử Pluronic

1.4.TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Các hạt nano silica cấu trúc rỗng có thể được tổng hợp bằng các 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 một cách dễ dàng. Nhiều công trình nghiên

cứu tổng hợp và biến tính bề mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng đã được công bố thể

hiện qua Bảng 1.2.

Bảng 1.2. Kết quả tổng hợp và biến tính bề mặt của hạt nano silica cấu trúc rỗng

A: Hình thái, B: kích thước, C: Diện tích bề mặt

STT Năm Tác giả Tài liệu Chất HĐBM Phương pháp loại bỏ chất HĐBM GĐ 1: Lõi rắn Biến tính bề mặt hạt nano rỗng với

tại 500oC 2005 Không [80] 1 Shi và cộng sự Nung trong 10 giờ PVP và CTAB

tại 600oC 2008 Không [81] 2 B.Kadali và cộng sự PHA Nung trong 6 giờ

và 2009 Nung tại 300oC PEG [82] 3 Yang cộng sự PVA A: PVP hình cầu B: (-) C: (-) A: PHA B: (-) C: (-) A: Fe3O4 hình cầu B: 10 nm C: (-) GĐ 2: Hạt nano lõi – vỏ A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 80,9 nm C: (-) GĐ 3: Hạt nano rỗng A: Hình cầu B:300-400 nm C: 1210 m2/g A: Hình cầu B: 2,1 µm C: 227 m2/g A: Hình cầu B: 83,1 nm C: (-)

và loại bỏ 2009 PVP Không [83] 4 Zhang cộng sự Không PVP A: SiO2 hình cầu B: 200 nm C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: >250 nm C: 177,46 m2/g

loại bỏ 2010 PVP Không [84] 5 HongTao và cộng sự Không PVP A: SiO2 hình cầu B: 200 nm C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: >250 nm C: 177,46 m2/g

tại 550oC 2011 PEG [85] C18TMS 6 Zhu và cộng sự Nung trong 6 giờ A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 100 nm C: 688 m2/g

và 2011 CTAB Không [30] 7 Fang cộng sự A: Lõi carbon hình cầu B: (-) C: (-) A: SiO2 hình cầu B: 245 nm A: Hình cầu B: (-) A: Hình cầu B: 260 nm tại 550oC Nung hoặc chiết bằng

C: (-) C: (-) C: 937 m2/g

cách đun hoàn lưu trong acetone tại 80oC trong 48 giờ,sản phẩm rửa với nước khử ion

và tại 600oC Không CTAB Không [86] 2011 Không 8 Guo cộng sự Nung trong 6 giờ

và trong 2011 CTAB [87] 9 Wang cộng sự HNO3 ethanol RITC và PEG A: Dạng khối B: (-) C: (-)

và 2011 PVP (-) Chitosan [88] 10 Deng cộng sự A: PbS dạng khối B: chiều dài cạnh 44 nm C: (-) A: PS dạng cầu B: 216 nm C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 200 nm C: 880 m2/g A: Dạng khối B: chiều dài cạnh 58 nm C: 137 m2/g A: Hình cầu B: 236 nm C: 210,25 m2/g

và 2012 CTAB [89] 11 Fang cộng sự A: SiO2 hình cầu B: 245 nm C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 170 nm C: 1002,1 m2/g Tấm nano Pd Khuấy với dung dịch NH4NO3 trong ethanol tại 45oC trong 6 giờ

2014 CTAB Không [90] 12 Yildirim và cộng sự A: Hình que B: (-) C: (-) Nung tại 550oC để loại bỏ CTAB và RB A: SiO2 hình que B: Chiều dài 75 nm, chiều rộng 45 nm C: (-) A: Hình que B: Lớp vỏ dày 8 nm C: 598 m2/g

và tại 550oC 2014 CTAB Không [91] 13 Fang cộng sự Nung trong 6 giờ A: SiO2 hình cầu B: 180 nm C: (-) A: Hình cầu B: >200 nm C: 589,5 m2/g A: Hình cầu B: lớp vỏ dày 33 nm C: (-)

2015 CTAB Không [92] 14 Qiu và cộng sự A: Fe3O4 hình cầu B: 130 nm C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) Khuấy với dung NH4NO3 dịch trong ethanol

và tại 550oC 2015 CTAB PEG [93] 15 Teng cộng sự Nung trong 6 giờ

2015 CTAB [2] 16 Wu và cộng sự DTPA A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: Lỗ rỗng 30 nm C: 406,1 m2/g A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 247 nm C: 1029 m2/g Hoàn lưu trong dịch dung methanol và HCl

và tại 600oC 2016 CTAB [94] 17 Geng cộng sự Nung trong 5 giờ Cy5.5 A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 1100 nm C: 1419 m2/g A: SiO2 hình cầu B: 89 nm C: (-) A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: Nhựa phenolic hình cầu B: (-) C: (-)

lưu

2016 CTAB [95] 18 Liu và cộng sự -β-CD/Ada- PEG A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 120 nm C: 881,54 m2/g Đun hoàn trong methanol/HCl tại 80oC trong 24 giờ

và tại 450oC 2017 CTAB Không [96] 19 Geng cộng sự Nung trong 10 giờ A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 200 nm C: 731 m2/g

và tại 550oC 2017 CTAB [97] 20 Zhao cộng sự Nung trong 5 giờ -S-S- CDPEI@HA

và 2017 CTAB (-) [98] 21 Zhang cộng sự β-CD-Ad- dye-PEG A: Nano Au hình cầu B: 50 nm C: (-) A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: (-) B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: (-) B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: 230 nm C: 1034 m2/g A: Hình cầu B: (-) C: (-)

và CTAB (-) -S-S-HA [99] 2018 22 Huang cộng sự A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-)

lưu

CTAB Ac-CMC [100] 2018 23 Nejabat và cộng sự A: Hình cầu B: 150 nm C: (-) A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) Đun hoàn trong methanol/HCl tại 80oC trong 24 giờ

tại 550oC và CTAB PDA-PEG [101] 2019 24 Nung trong 5 giờ Shao cộng sự A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-)

34,3-66,1 tại 500oC CTAB [102] 2019 25 Nung trong 12 giờ Chitosan và Alginate Esmaeili và cộng sự A: PLM hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-)

và CTAB Cyanine 5.5 [103] trong tại 2020 26 Peng cộng sự Chiết HCl/ethanol 60oC trong 3 giờ

CTAB HCl/ethanol Chitosan [104] 2020 27 Jin và cộng sự

tại 50oC và CTAB Chitosan [105] 2020 28 Nung trong 4 giờ Diacon cộng sự A: Hình cầu B: 250 nm C: 123,93 m2/g A: Hình cầu B: nm C: (-) A: Hình cầu B: 98 nm C: 266 m2/g A: Hình cầu B: 260 nm C: 1006,8 m2/g A: Hình cầu B: (-) C: 482 m2/g A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: SiO2 hình cầu B: (-) C: (-) A: PS hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-) A: Hình cầu B: (-) C: (-)

(-): Chưa trình bày trong nghiên cứu tham khảo

Tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng

Các nghiên cứu đã công bố về tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng theo

phương pháp hard-template cho thấy quá trình tổng hợp gồm ba giai đoạn: (i) Tổng

hợp hạt nano silica rắn giữ vai trò là lõi, (ii) phủ lớp vỏ cấu trúc mao quản, (iii) Ăn

mòn lõi rắn để tạo thành cấu trúc rỗng. Trong đó, giai đoạn thứ nhất lõi rắn có thể là

các vật liệu khác nhau như hạt nano sắt từ Fe3O4, nano vàng, carbon, PbS và thường

là lõi nano silica. Hình dạng lõi rắn sẽ quyết định hình dạng của hạt nano silica cấu

trúc rỗng tạo thành. Tương tự, giai đoạn phủ lớp vỏ cấu trúc mao quản có thể sử dụng

tiền chất chứa silica là TEOS hay muối silicate, riêng chất hoạt động bề mặt chủ yếu

là CTAB, ngoài ra còn có C18TMS hay PVP và được loại bỏ theo nhiều cách khác

nhau như nung, hoàn lưu hay chiết. Giai đoạn ăn mòn lõi rắn có thể sử dụng môi

trường axit (đối với lõi nano sắt từ Fe3O4, PbS), kiềm (đối với lõi nano silica) hay

nung mẫu (đối với lõi polystyrene) phụ thuộc vào tính chất của lõi rắn ban đầu.

Trên cơ sở ba giai đoạn chính trong tổng hợp theo phương pháp hard-template,

đối với các nghiên cứu khác nhau thì các giai đoạn tổng hợp có thể giống hoặc khác

nhau về các thông số phản ứng như: thời gian, nhiệt độ, thành phần và tỉ lệ các chất

tham gia phản ứng, hay thêm các giai đoạn trung gian…kết quả tạo thành các hạt

nano khác nhau. Chẳng hạn như năm 2011, Fang và các cộng sự đã tổng hợp nano

silica cấu trúc rỗng bằng phương pháp hard – template. Quá trình tổng hợp thể hiện

qua Sơ đồ 1.6, gồm năm giai đoạn: (1) Tổng hợp lõi rắn theo phương pháp Stober (kí

hiệu sSiO2), (2) Phủ lớp vỏ lần thứ nhất để tạo các lỗ mao quản giống nhau bởi chất

hoạt động bề mặt CTAB (kí hiệu HMSS-W): Phân tán hạt rắn sSiO2 trong nước bằng

cách dùng siêu âm khoảng 15 phút, sau đó thêm CTAB vào, tiếp đến là dung dịch

Na2CO3. Phản ứng được thực hiện tại 35oC trong 24 giờ, sau đó ly tâm rửa thu được

sản phẩm, (3) Phủ lớp vỏ lần thứ hai, đó là lớp vỏ nano silica cấu trúc mao quản (kí

hiệu sSiO2@CTAB/SiO2): Phân tán mẫu HMSS-W trong nước, huyền phù thu được

cho vào dung dịch gồm ethanol, NH3, CTAB và cuối cùng thêm tiền chất TEOS. Tiến

hành khuấy hỗn hợp huấy 6 giờ tại nhiệt độ phòng, (4) Ăn mòn lõi rắn tạo thành cấu

trúc rỗng (kí hiệu HMSS-O): Phân tán mẫu sSiO2@CTAB/SiO2 trong nước, sau đó

sử dụng dung dịch Na2CO3 để ăn mòn lõi rắn sSiO2 tại 50oC trong 10 giờ. Sản phẩm

được ly tâm và rửa bằng ethanol, nước, (5) Loại bỏ chất hoạt động bề mặt CTAB (kí

hiệu sSiO2@mSiO2): Mẫu HMSS-O được loại bỏ chất hoạt động bề mặt CTAB bằng

cách nung tại 550oC trong 6 giờ hoặc chiết trong acetone và hoàn lưu tại 80oC trong

48 giờ [30].

Sơ đồ 1.6. Sơ đồ tổng hợp HMSN-W

Hay năm 2011 nhóm nghiên cứu của Wang sử dụng tiền chất là Pb(Ac)2 để

tổng hợp hạt nano PbS dạng khối, giữ vai trò là lõi rắn và dùng dung dịch axit HNO3

ăn mòn lõi để tạo thành cấu trúc rỗng, kết quả hạt nano tạo thành cũng có dạng khối

với kích thước nhỏ hơn 100 nm thể hiện qua Hình 1.18 [87].

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)

Năm 2015 Qui và cộng sự tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng bằng cách sử

dụng lõi là nano sắt từ Fe3O4, sau đó phủ lớp vỏ silica rắn và cuối cùng phủ lớp vỏ

cấu trúc mao quản thông qua tiền chất TEOS và chất hoạt động bề mặt CTAB thể

hiện qua Sơ đồ 1.7. Kết quả tạo thành hạt nano silica cấu trúc rỗng chứa lõi nano sắt

từ bên trong [92].

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

Năm 2017, Yanhua sử dụng các hạt nano vàng làm lõi, sau đó tiến hành phủ

lớp vỏ cấu trúc mao quản thông qua quá trình sol-gel. Hạt nano silca cấu trúc rỗng

được tạo thành sau khi xử lý lõi nano vàng (Sơ đồ 1.8) [96].

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

Mặt khác, quan sát Bảng 1.3 nhận thấy các nghiên cứu đã công bố về tổng hợp

hạt nano silica cấu trúc rỗng theo phương pháp hard-template, các hạt nano tạo thành

ở các giai đoạn đầu bao gồm lõi rắn, hạt nano cấu trúc lõi-vỏ chưa được đánh giá tính

chất một cách đầy đủ như kích thước, diện tích bề mặt,.. Đặc biệt, giai đoạn phủ lớp

vỏ cấu trúc mao quản thì vai trò của chất hoạt động bề mặt CTAB trong quá trình phủ

lớp vỏ chưa được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh, chẳng hạn như hình thái các hạt

nano cấu trúc lõi-vỏ khi có hay không có chất hoạt động bề mặt. Tương tự giai đoạn

xử lý lõi rắn để tạo thành cấu trúc rỗng, cơ chế quá trình ăn mòn lõi cũng chưa được

trình bày một cách cụ thể.

Biến tính bề mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng

Nano silica cấu trúc rỗng là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng y sinh, tuy

nhiên lượng thuốc dễ bị rò rỉ trong quá trình vận chuyển hay độ phân tán của các hạt

nano là những khó khăn ảnh hưởng đáng kể đến ứng dụng của hạt nano. Do đó nhiều

nghiên cứu về việc biến tính bề mặt các hạt nano silica cấu trúc rỗng đã được công

bố. Quan sát Bảng 1.3 nhận thấy năm 2008, nhóm nghiên cứu của Yang và cộng sự

biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với PEG (6 KDa) bằng cách: trước tiên bề

mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng được biến tính với nhóm amin thông qua phản ứng

đồng ngưng tụ với APTES, riêng PEG được hoạt hóa bằng succinic anhydride tạo

thành PEG-diCOOH. Sau đó thực hiện phản ứng giữa HMSN-NH2 và PEG-diCOOH

với sự có mặt của EDC/NHS thể hiện qua Sơ đồ 1.9 và Dox được sử dụng cho quá

trình thử nghiệm mang và phóng thích thuốc [82].

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

Tương tự năm 2011, Zhu và cộng sự tiến hành biến tính bề mặt hạt nano silica

cấu trúc rỗng với PEG (2 KDa), quy trình tổng hợp gồm giai đoạn biến tính bề mặt

hạt nano silica rỗng với nhóm amin như công bố của Yang. Đối với PEG thì nhóm

nghiên cứu sử dụng poly(oxyethylene)bis(amin) (PEG2000-NH2). Cuối cùng HMS-

PEG được tạo thành bằng cách grafting PEG2000-NH2 trên HMS-NH2 với p-

phenylene diisothiocyanate (DITC) (Sơ đồ 1.10). Kết quả tổng hợp hạt HMS thể hiện

qua Hình 1.19 cho thấy các hạt có dạnh hình cầu. Tuy nhiên, quan sát ảnh SEM không

cho thấy cấu trúc lõi – vỏ, ảnh TEM cho thấy độ dày lớp vỏ trên cùng một hạt thì

không đều [85].

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

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

Hay cũng trong năm 2011, Deng và cộng sự đã sử dụng chitosan để biến tính

bề mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng tạo thành hệ chất mang thuốc hướng đích (tác

nhân nhạy pH) thể hiện qua Sơ đồ 1.11. Kết quả các hạt nano tạo thành sau khi biến

tính với chitosan có dạng hình cầu và kích thước là 345,6 ± 4,8 nm [88].

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

Năm 2012, Zheng và các cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp hạt nano silica cấu

trúc rỗng hình cầu. Sau khi biến tính bề mặt với nhóm amin, các hạt được nạp thuốc

Dox và cuối cùng là gắn các tấm nano Paladium (Sơ đồ 1.12). Hệ chất mang tạo thành

là sự kết hợp của phương pháp hóa trị và phương pháp quang nhiệt trong việc tiêu

diệt tế bào ung thư. So với phương pháp hóa trị hoặc quang nhiệt riêng lẻ, sự kết hợp

của hai phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả điều trị. Kết quả các hạt

tạo thành thể hiện qua Hình 1.20 [99].

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

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

và HMSS-NH2@Pd

Năm 2015, Wu và cộng sự đã tổng hợp thành công hệ chất mang thuốc hướng

đích trên nền tảng nano silica cấu trúc rỗng (nhạy pH và nhạy oxi hóa – khử). Trước

tiên biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng HMSS lần lượt với APTMS, DTPA

thành HMSS-S-S-COOH. Sau đó, Dox được nang hóa vào hệ chất mang và được giữ

bởi ZnO QDs như là nắp đậy (Sơ đồ 1.13). Hệ chất mang/thuốc được khảo sát sự

phóng thích thuốc theo pH và chất khử liên kết disulfide (GSH hay DTT). Kết quả

nghiên cứu cho thấy khi vai trò là nắp đậy của ZnO QDs, lượng thuốc được phóng

thích có thể kiểm soát tùy theo sự điều chỉnh pH [2].

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

Năm 2016, nhóm nghiên cứu của Geng đã tổng hợp hệ chất mang nano silica

cấu trúc rỗng/ Cy5.5 thông qua phản ứng ngưng tụ giữa nhóm hydrazide của Cy5.5

và nhóm carboxyl của HMSN-COOH. Hai loại thuốc kém tan trong nước là

carvedilol và fenofibrate (Car and Fen) được nang hóa trong hệ chất mang nhằm mục

đích điều chỉnh sự phóng thích thuốc [94]. Hay năm 2016, Liu và cộng sự tổng hợp

hệ chất mang nhạy pH để kiểm soát sự phóng thích thuốc đó là HMSNs-β-CD/Ada-

PEG [95].

Năm 2017, Zhao và cộng sự tiến hành tổng hợp hệ chất mang HMSN-SS-

CDPEI@HA (Sơ đồ 1.14). Trong đó, các hạt carbon dot (CD) đóng vai trò như là nắp

đậy để giữ thuốc trong các lỗ rỗng và HA nhằm kiểm soát sự phóng thích thuốc và

cải thiện độ tan. Dox được chọn cho quá trình khảo sát phóng thích thuốc. Kết quả

tạo thành các hạt có dạng hình cầu thể hiện qua Hình 1.21 [97].

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

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

Năm 2018, Huang và cộng sự đã chứng minh rằng hệ chất mang HMSNs-SS-

HA (nhạy oxi hóa – khử) là hệ chất mang tiềm năng và hiệu quả trong điều trị bệnh

ung thư [99]. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu của Nejabat và cộng sự tiến hành kiểm soát

sự phóng thích thuốc Dox bằng cách: Sau khi thuốc được nang hóa vào hạt nano silica

cấu trúc rỗng, bề mặt vật liệu được phủ bởi acetyl hóa carboxymethyl cellulose (Ac-

CMC), sau đó liên kết cộng hóa trị với aptamer AS1411 để phân phối thuốc hướng

đích đến các tế bào ung thư (Sơ đồ 1.15). Các nghiên cứu cho thấy rằng aptamer

AS1411 đặc biệt nhắm mục tiêu nucleolin MCF-7 và tế bào C26 [100].

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

Năm 2019, Shao và cộng sự phủ hệ methoxypolyetylen glycol amin (mPEG-

NH2) chức năng hóa polydopamin (PDA) lên các hạt nano silica rỗng tạo thành hệ

chất mang nhạy pH. Sau đó nang hóa Dox và quercetin (QUR) để khắc phục tình

trạng kháng đa thuốc (multidrug sesistance - MDR) và cải thiện hiệu quả điều trị bệnh

ung thư. Các đánh giá sinh học đã chứng minh rằng HMSNs-PDA-PEG@QD thể

hiện khả năng vượt trội về kháng đa thuốc so với DOX tự do và HMSNsPDA-

PEG@DOX. Những kết quả này cho thấy HMSNs-PDA-PEG@QD thích hợp là một

hệ thống nano phân phối thuốc tiềm năng và hiệu quả để khắc phục kháng đa thuốc

[101].

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

Năm 2020, nhóm nghiên cứu của Jin tiến hành nang hóa celastrol (CSL) vào

các hạt nano silica cấu trúc rỗng, sau đó bề mặt vật liệu được biến tính bề mặt với

chitosan như là tác nhân nhạy pH nhằm kiểm soát khả năng phóng thích lượng CSL

(CLS@HMSNs-Cs) trong điều trị bệnh viêm khớp. Tuy nhiên, kết quả tạo thành các

hạt có dạng hình cầu với kích thước khá lớn (Hình 1.22) [104].

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

1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Đại Hải tại Viện Khoa học vật liệu ứng dụng -

Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về nano silica

cấu trúc mao quản ứng dụng mang thuốc như: Tổng hợp nano silica xốp cho hệ dẫn

truyền thuốc, điều chế và xác định đặc tính của hạt nano silica phủ gelatin [106], nano

silica biến tính với Hydrazin (hệ - nhạy pH) [107], Heparin-PEG (hệ chất mang nhạy

oxi hóa – khử) cho hệ dẫn truyền thuốc có kiểm soát thể hiện qua Sơ đồ 1.17, kết quả

các hạt nano tạo thành thể hiện qua Hình 1.23 [108]… Theo hiểu biết hạn chế của

nhóm thì hiện nay trong nước chưa có công trình nghiên cứu về vật liệu nano silica

cấu trúc rỗng.

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

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

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM

2.1. Phương tiện nghiên cứu

2.1.1. Hóa chất

Các hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu đều là các hóa chất dùng trong

phân tích với độ tinh khiết cao. Danh sách các hóa chất được liệt kê trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Danh sách hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

STT Tên hóa chất Xuất xứ

Merck 1 Ammonia solution (25%)

Merck 2 Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB)

Sigma 3 Doxorubicin (Dox)

Ethanol tinh khiết Sharlau 4

Ethanol tuyệt đối Việt Nam 5

Việt Nam 6 Nước khử ion

Sodium carbonate Merck 7

Tetraethyl orthosilicate (TEOS) Sigma 8

Fisher 9 Axit Acetic

(3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) Sigma 10

Sigma 11 Ninhydrin

p-nitrophenyl chloroformate (NPC) Sigma 12

Sigma 13 Methoxy polyethylene glycol 5000 Da (MPEG)

Fisher 14 Tetra hydrofuran (THF)

Sigma 15 Pluronic F127

3-amino-1-propanol – Acros organics Sigma 16

Fisher 17 Diethyl ether

Fisher 18 Dimetyl sunfoxide (DMSO)

2.1.2. Thiết bị

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

STT Tên thiết bị Xuất xứ

Đức 1 Máy ly tâm lạnh Hermle

2 Máy đông khô FDU-1200 Eyela Nhật Bản

3 Máy đo kích thước hạt DLS Horiba SZ-100 Horiba Nhật Bản

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 4 JEOL Nhật Bản JEM-1400

Hitachi Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 5 Nhật FE SEM S-4800

Đức 6 Máy cộng hưởng từ hạt nhân Bruker

Đức 7 Máy đo nhiễu xạ tia X D8, advance, Bruker

8 Máy đo phổ hồng ngoại FT-IR/NIR Frotier PerkinElmer Mỹ

Máy phân tích nhiệt trọng trường Mettler Toledo Mettler Toledo 9 TGA-DSC 3+

Mỹ 10 Máy đo diện tích bề mặt và hấp phụ-giải hấp Trista micromeritics 3000

11 Máy đo phổ hấp thu tử ngoại khả kiến UV-Vis 1800 Shimadzu Nhật

Anh 12 Máy phổ quang tia X Thermo VG Multilab 2000

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

Hình thái và bề mặt vật liệu được kiểm tra bằng bằng kính hiển vi điện tử quét

(Scanning Electron Microscope, SEM) sử dụng nguồn điện áp (15kV) tại phòng thí

nghiệm Nano – Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao TP.HCM và

kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscope, TEM), điện thế

gia tốc 100kV tại Phòng thí nghiệm trọng điểm polyme và compozit – Đại học Bách

khoa TP.HCM.

Kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt, thế zeta được đánh giá thông qua

phương pháp tán xạ ánh sáng động học bằng thiết bị đo kích thước hạt Horiba Nano

SZ100 tại Trung tâm phân tích Sinh – Hóa – Lý tại Viện Khoa học vật liệu ứng dụng

TP.HCM. Ngoài ra, dựa vào ảnh TEM và sử dụng phần mềm ImageJ để thống kê

kích thước các hạt, kết hợp với phần mềm Origin có thể tính được kích thước hạt

trung bình và cho thấy biểu đồ phân bố kích thước hạt.

Phân tích cấu trúc, đặc trưng nhóm không gian của vật liệu bằng phổ nhiễu xạ

tia X (X-ray Diffraction, XRD) tại Chi Cục kiểm định Hải quan 3. Phân tích nhóm

chức, định danh các hợp chất hữu cơ và nghiên cứu cấu trúc bằng phương pháp phổ

hồng ngoại (Fourier transform infrared spectroscopy , FTIR) tại Trung tâm phân tích

Sinh – Hóa – Lý tại Viện Khoa học vật liệu ứng dụng TP.HCM.

Phân tích thành phần cơ bản, trạng thái hóa học, trạng thái điện tử của các

nguyên tố trên bề mặt vật liệu bằng phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS) sử

dụng bức xạ AlKα tại trường đại học Pukyong, Hàn Quốc.

Phổ 1H-NMR đo trên máy cộng hưởng từ hạt nhân Bruker Avance 500, được

thực hiện bằng cách sử dụng D2O làm dung môi và methanol là đồng dung môi ở

tần số 500 MHz, Viện Khoa học Vật liệu Hà Nội.

Đánh giá diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp bằng phương pháp hấp phụ - khử

hấp phụ khí N2 tại nhiệt độ 77K bằng máy Trista Micromeritics 3000 tại trường Đại

học Sư phạm Hà Nội.

Định tính – định lượng dung dịch bằng phương pháp phổ hấp thu tử ngoại khả

kiến UV-Vis tại Trung tâm phân tích Sinh – Hóa – Lý tại Viện Khoa học vật liệu

ứng dụng TP.HCM.

Đánh giá độc tính tế bào ung thư gan đo tại phòng tế bào Viện Khoa học vật

liệu ứng dụng TP.HCM.

2.3. Phương pháp thực nghiệm

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

Phương pháp nghiên cứu

Hạt nano silica rắn được tổng hợp theo phương pháp Stober gồm các chất phản

ứng alkyl silicate, alcohol, nước và ammonia. Đối với các loại alkyl silicate (các nhóm

alky gồm methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, n-pentyl) cho thấy phản ứng xảy ra nhanh

nhất và kích thước hạt nhỏ nhất (nhỏ hơn 0,2 µ) được tạo thành với tetramethyl ester,

trong khi với tetrapentyl ester phản ứng xảy ra chậm (mất 24 giờ cho phản ứng ngưng

tụ và kích thước hạt tạo thành lớn), ngoài ra đường phân bố kích thước hạt rộng hơn.

Kết quả tương tự đối với dung môi là các alcohol từ methanol đếnn n-butanol [10].

Như vậy, với xu hướng Hóa học xanh là thay thế dung môi ít độc hại hơn, do đó quá

trình tổng hợp sẽ sử dụng dung môi ethanol mặc dù methanol cho kết quả kích thước

hạt nhỏ hơn. Và để đồng nhất về nhóm alkyl nên alkyl silicate được chọn là tetraethyl

orthosilicate (TEOS). Ngoài ra việc sử dụng TEOS thay vì dùng TMOS do rất khó để

kiểm soát được tốc độ thủy phân nhanh của TMOS, thường dẫn đến sự tạo thành các

hạt nano silica tự do với với cấu lỗ xốp bên trong [109].

Với mục đích kiểm soát kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt, nhiều

nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số phản ứng trong quá trình tổng hợp hạt

nano silica rắn đã được công bố gồm ảnh hưởng của nồng độ TEOS, ammonia - nước,

ethanol, nhiệt độ. Ngoài ra, còn có các yếu tố như tốc độ nhỏ dung dịch ammonia,

quá trình tổng hợp bởi siêu âm hay khuấy từ [12, 110]. Kết quả cho thấy, mỗi yếu tố

ảnh hưởng có quy luật tương đối giống nhau giữa các nghiên cứu được công bố, tuy

nhiên cũng có những quy luật trái ngược nhau. Chẳng hạn theo Matsoukas và cộng

sự, các hạt lớn hơn được tạo thành khi tăng nồng độ ammonia [11] trong khi theo Rao

thì với sự tăng nồng độ của ammonia thì kích thước hạt giảm [111]. Hay cũng trong

công bố của Matsoukas kích thước hạt nhỏ hơn khi tăng nồng độ nước, ngược lại

Park và cộng sự tạo thành hạt lớn hơn [112].

Như vậy, để tổng hợp hạt nano silica rắn với kích thước mong muốn, cần tiến

hành khảo sát các thông số phản ứng cơ bản gồm thể tích của TEOS, ethanol,

ammonia, nhiệt độ dựa trên một bộ bốn các thông số đã được công bố [91, 113] và

tốc độ nhỏ dung dịch ammonia, riêng hàm lượng nước sẽ được cố định trong tất cả

các phản ứng. Ngoài ra, đối với mỗi quy trình được công bố thì thời gian phản ứng là

khác nhau. Do đó, yếu tố thời gian phản ứng cũng được khảo sát trong nghiên cứu.

Khuấy từ được sử dụng cho tất cả các phản ứng khảo sát.

Quy trình tổng hợp

Hạt nano silica rắn được tổng hợp theo phương pháp Stober, thể hiện qua Sơ

đồ 2.1 với các thông số thí nghiệm trong Bảng 2.1. Đối với các chất tham gia phản

ứng TEOS, NH3 và ethanol, mỗi yếu tố lựa chọn 5 điểm nồng độ để khảo sát. Tương

tự thời gian phản ứng được lựa chọn tại 5 mốc thời gian. Riêng nhiệt độ được khảo

sát tại 3 điểm nhiệt độ khác nhau gồm 35, 50 và 65oC. Ngoài ra, tốc độ nhỏ dung dịch

NH3 được thực hiện bằng hai cách cho nhanh một lượt lượng NH3 vào hỗn hợp và

nhỏ 200ul/phút lượng NH3 bằng micropipet. Tất cả nồng độ các chất được tính toán

dựa trên tổng thể tích của các chất ban đầu tham gia phản ứng, riêng đối với chất đang

được khảo sát thì sẽ thêm lượng chất khảo sát vào tổng thể tích trên.

Cho hỗn hợp chứa lượng ethanol khảo sát và nước (được cố định thể tích) vào

bình cầu 250 ml, đậy nắp cẩn thận. Đặt bình cầu lên bếp khuấy tại toC trong 10 phút.

Sau đó, thêm nhanh TEOS vào hỗn hợp và tiếp tục khuấy tại nhiệt độ này thêm 10

phút. Cuối cùng, cho dung dịch NH3 28% (NH3 đặc) vào dung dịch. Tiếp tục khuấy

và gia nhiệt bình cầu đến thời gian x giờ thì kết thúc phản ứng. Dung dịch thu được

cho vào màng 12-14KDa thẩm tách với nước cất trong ống đong dung tích 2 lít, thời

gian thẩm tách là 4 ngày, thay nước thẩm tách 4 lần/ ngày. Sau đó, sản phẩm thu được

đem đông khô tạo thành hạt nano silica rắn SSN.

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

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

Thời gian phản Nhiệt độ Tốc độ thêm CTEOS CNH3 CEtOH STT (mol/l) (mol/l) (mol/l) ứng (giờ) (oC) NH3

0,07 1

0,22 2

0,61 0,41 14,18 50 Nhanh 3 3

0,93 4

1,20 5

0,17 6

0,78 7

0,36 1,46 13,54 50 Nhanh 8 3

2,24 9

2,90 10

8,68 11

12,29 12

1,49 1,64 13,72 50 Nhanh 13 3

14,67 14

15,19 15

0,5 16

2 17

3 0,22 0,38 13,48 50 Nhanh 18

4 19

5 20

3 0,22 0,38 13,48 35 Nhanh 21

50 22

65 23

Nhanh 24 50 0,22 0,38 13,48 3

200ul/phút 25

Phương pháp đánh giá

Đánh giá kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt tạo thành bởi từng thông

số khảo sát.

Chuẩn bị mẫu: Mẫu sau khi đông khô (các thông số cài đặt như sau: nhiệt độ

-38,1oC, áp suất 29,5 Pa) trong 3 ngày thì được phân tán lại trong nước khử ion đã

được lọc qua màng 0,45µm với nồng độ 1000 ppm. Đối với mẫu chụp hình TEM, sau

khi dung dịch được siêu âm thì tráng ngay lên bề mặt lưới đồng và làm khô. Riêng

đối với mẫu đo kích thước hạt thì dung dịch được để ổn định khoảng 1 giờ sau khi

siêu âm.

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

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp đáp ứng bề mặt (Respone Surface Methodology - RSM) được

phát triển từ những năm 50 của thế kỷ trước bởi Box và cộng sự [114, 115]. RSM

bao gồm một nhóm các kỹ thuật toán học và thống kê dựa trên sự phù hợp của các

mô hình thực nghiệm với dữ liệu thử nghiệm thu được liên quan đến thiết kế thử

nghiệm. Theo hướng mục tiêu này, các hàm đa thức bậc hai hay bậc nhất được sử

dụng để mô tả hệ nghiên cứu đó và khảo sát các điều kiện thực nghiệm để tìm ra được

sự tối ưu. Một số giai đoạn trong việc áp dụng RSM như một kỹ thuật tối ưu hóa như

sau [116]:

- Lựa chọn các biến độc lập ảnh hưởng lớn đến hệ thống thông qua các nghiên

cứu sàng lọc và phân định vùng thực nghiệm, theo mục tiêu nghiên cứu và kinh

nghiệm của nhà nghiên cứu.

- Lựa chọn thiết kế thí nghiệm và thực hiện các thí nghiệm theo ma trận thí

nghiệm đã chọn.

- Xử lý thống kê toán học của dữ liệu thí nghiệm thu được thông qua sự phù hợp

của hàm đa thức.

- Đánh giá tính tương thích của mô hình.

- Xác minh sự cần thiết và khả năng thực hiện một sự dịch chuyển đến khu vực

tối ưu.

- Tiến hành thí nghiệm dựa trên kết quả tối ưu của từng biến.

Thiết kế thí nghiệm phức hợp trung tâm Box–Behnken designs (BBD) như

sau: Box và Behnken đã đề xuất cách chọn điểm từ cách sắp xếp giai thừa ba cấp,

cho phép ước tính hiệu quả các hệ số bậc nhất và bậc hai của mô hình toán học. Theo

cách này, các thiết kế này hiệu quả và kinh tế hơn các thiết kế 3k tương ứng của chúng,

chủ yếu cho một số lượng lớn các biến [116]. Trong thiết kế BBD, các điểm thử

nghiệm nằm trên một đường thẳng tương đương từ điểm trung tâm (Hình 1.9). Đặc

điểm chính của nó là:

- Yêu cầu số thí nghiệm theo N = 2k (k - 1) + cp, trong đó k là số lượng các yếu

tố và (cp) là số lượng điểm trung tâm.

- Tất cả các cấp độ yếu tố chỉ được điều chỉnh ở ba cấp độ (−1, 0,+1) với các

khoảng cách đều nhau giữa các cấp độ này.

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

Để tổng hợp được nano có kích thước mong muốn, tiến hành tổng hợp hạt

bằng phương pháp đáp ứng bề mặt với thiết kế thí nghiệm phức hợp trung tâm Box–

Behnken designs hay còn gọi là mô hình BBD [116]. Theo mô hình này, từ kết quả

khảo sát đơn yếu tố sẽ thực hiện chọn lọc các yếu tố chính sẽ ảnh hưởng đến kích

thước hạt, cố định các yếu tố ít ảnh hưởng và khó kiểm soát. Như vậy có 4 yếu tố

chính cần được khảo sát: thể tích dung dịch TEOS, NH3, EtOH và nhiệt độ phản ứng.

Trong đó, thời gian phản ứng được chọn cố định là 3 giờ và sẽ cho nhanh dung dịch

NH3 vào hỗn hợp. Tiến hành thiết kế BBD, các điểm thử nghiệm nằm trên một đường

thẳng tương đương từ điểm trung tâm (0), cấp độ −1, 0, +1 sử dụng phần mềm Minitab

16.

Quy trình tổng hợp

Hạt nano silica rắn SSN mong muốn có kích thước vào khoảng 130 nm. Dựa

vào biểu đồ tương quan giữa kích thước hạt và các thông số khảo sát, dễ dàng tìm

thấy được thể tích (hay nhiệt độ) của từng thông số tương ứng với kích thước hạt cần

đạt được (biến trung tâm) và hai tiệm cận, thể hiện qua Sơ đồ 2.2 và Bảng 2.4.

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

Bảng 2.4. Các thông số phản ứng được khảo sát

Biến số STT Thông số Kí hiệu 0 -1 +1

X1 3 1 5 Thể tích TEOS (ml) 1

X2 1,2 0,6 1,8 Thể tích NH3 (ml) 2

Thể tích EtOH (ml) X3 30 10 50 3

X4 50 30 70 4 Nhiệt độ (oC)

Bằng cách sử dụng phần mềm Minitab 16, bảng số liệu các thông số thí nghiệm

được thể hiện trong Bảng 2.5. Tiến hành tổng hợp các hạt nano silica rắn SSN với 25

thí nghiệm khác nhau tương tự như quy trình tổng hợp ở Sơ đồ 2.1, trong đó thời gian

phản ứng được chọn cố định là 3 giờ và sẽ cho nhanh dung dịch NH3 vào hỗn hợp.

Kết quả kích thước hạt của 25 mẫu sẽ được xử lý tiếp theo thông qua phần mềm

Minitab 16 để đánh giá mô hình được đề xuất, mô hình được coi là có ý nghĩa thống

kê khi độ tin cậy P ≥ 95 % và hệ số tương quan R2 ≥ 0,9.

Để kiểm tra độ chính xác và độ tin cậy của mô hình thu được, một thử nghiệm

xác nhận đã được thực hiện trong điều kiện tối ưu hóa này bằng cách tổng hợp hạt

SSN theo điều kiện tối ưu. Sau đó so sánh kết quả kích thước hạt này với giá trị dự

đoán (kích thước hạt mong muốn vào khoảng 130 nm), nếu sai số ≤ 5% thì mô hình

được đề xuất đáng tin cậy. Và hạt SSN được tổng hợp ở điều kiện tối ưu này sẽ được

đánh giá hình thái, cấu trúc,…và được dùng làm lõi rắn cho giai đoạn phản ứng tiếp

theo.

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

STT V TEOS (ml) V NH3 (ml) V EtOH (ml) Nhiệt độ (oC)

5 1,2 30 30 1

3 1,8 30 30 2

3 1,2 50 30 3

1 1,2 50 50 4

3 0,6 30 70 5

3 1,8 10 50 6

5 1,2 10 50 7

3 0,6 30 30 8

1 1,2 10 50 9

3 0,6 10 50 10

1 1,8 30 50 11

5 0,6 30 50 12

5 1,2 50 50 13

3 1,2 50 70 14

5 1,2 30 70 15

3 1,2 10 30 16

3 1,2 10 70 17

3 1,8 50 50 18

3 0,6 50 50 19

3 1,2 30 50 20

5 1,8 30 50 21

1 1,2 30 30 22

1 1,2 30 70 23

3 1,8 30 70 24

1 0,6 30 50 25

Phương pháp đánh giá

Các hạt SSN được tổng hợp theo các thông số ở Bảng 2.5 được đo kích thước

hạt. Riêng đối với hạt SSN tổng hợp ở điều kiện tối ưu sẽ được đánh giá kích thước

hạt, sự phân bố kích thước hạt, thế zeta và độ bền theo thời gian, đánh giá hình thái

qua ảnh SEM, TEM. Ngoài ra, tiến hành đánh giá diện tích bề mặt, phân tích nhiệt

khối lượng TGA.

Chuẩn bị mẫu: Mẫu sau khi đông khô (các thông số cài đặt như sau: nhiệt độ

-38,1oC, áp suất 29,5 Pa) trong 3 ngày thì được phân tán lại trong nước khử ion đã

được lọc qua màng 0,45 µm với nồng độ 1000 ppm. Đối với mẫu chụp hình TEM,

sau khi dung dịch được siêu âm thì tráng ngay lên bề mặt lưới đồng và làm khô. Riêng

đối với mẫu đo kích thước hạt, thế zeta thì dung dịch được để ổn định khoảng 1 giờ

sau khi siêu âm. Mẫu đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp chuẩn bị ở dạng rắn.

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

Phương pháp nghiên cứu

Hạt nano silica rắn với kích thước mong muốn được sử dụng làm lõi rắn trong

tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ SSN@CTAB-SSN. Quá trình phủ lớp vỏ

lên SSN được thực hiện theo phương pháp sol-gel từ TEOS là tiền chất của silica và

CTAB là chất tạo ra các lỗ xốp [117]. Đây là phương pháp tổng hợp phổ biến được

sử dụng để hợp các hạt nano silica cấu trúc mao quản chẳng hạn như M41S, MCM-

41, MCM-48,…do đó lớp vỏ tạo thành sẽ có cấu trúc mao quản. Ngoài ra, CTAB là

chất hoạt động bề mặt cation được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp loại vật liệu này

[118-120].

Hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng phương pháp sol – gel và chất hoạt động

bề mặt CTAB để phủ lớp vỏ lên hạt nano silica rắn, các chất phản ứng gồm TEOS,

CTAB, ethanol, nước, NH3 và CTAB. Mỗi nghiên cứu này sử dụng lõi nano silica

rắn với kích thước khác nhau, do đó các thông số thực hiện phản ứng phủ vỏ cũng

khác nhau [31, 89, 121, 122].

Như vậy, để phủ được lớp vỏ nano silica cấu trúc mao quản lên hạt SSN, tỉ lệ

các chất tham gia phản ứng dựa trên quy trình tổng hợp hạt nano silica cấu trúc mao

quản của nhóm đã được công bố [108, 123, 124] và được điều chỉnh cho phù hợp với

lượng nano silica rắn SSN được sử dụng. Mặt khác, để kiểm soát kích thước lớp vỏ,

dựa vào các quy luật được khảo sát ở mục 2.3.1 tiền chất TEOS được ưu tiên chọn để

khảo sát kích thước lớp vỏ. Đặc biệt một quá trình phủ vỏ nhưng không sử dụng

CTAB được thực hiện để so sánh hình thái các hạt tạo thành.

Quy trình tổng hợp

a) Tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ

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

Phân tán các hạt nano silica rắn SSN vào nước khử ion và tiến hành đánh siêu

âm 15 phút gọi là dung dịch A. Cân chất hoạt động bề mặt CTAB và hoà tan vào

nước khử ion, khuấy 15 phút tại nhiệt độ thường gọi là dung dịch B. Cho cả hai dung

dịch A và B vào bình cầu, đậy nắp cẩn thận. Đặt bình cầu lên bếp đã được gia nhiệt

tại 50oC, khuấy dung dịch trong 30 phút. Sau đó lần lượt cho dung dịch ethanol, NH3

vào hỗn hợp và TEOS có nồng độ a (M) được thêm vào sau cùng. Nồng độ TEOS

được khảo sát lần lượt tại các nồng độ a = 0,07; 0,27; 0,45; 0,61; 0,72 (M) tương ứng

với các mẫu được kí hiệu SSN@CTAB-SSN/1 đến SSN@CTAB-SSN/5. Tiếp tục

khuấy trong 6 giờ tại 50oC thì dừng lại. Sản phẩm thu được đem thẩm tách bằng màng

12-14 KDa trong nước cất, thời gian là 4 ngày, nước được thay 4 lần/ngày, sau đó

được đông khô. Sơ đồ tổng hợp được thể hiện trong Sơ đồ 2.3.

b) Tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ (SSN – SSN)

Thực hiện phủ vỏ đối với hạt rắn theo quy trình phủ vỏ đối với hạt

SSN@CTAB-SSN được thể hiện trong Sơ đồ 2.3 nhưng không dùng chất hoạt động

bề mặt CTAB. Và nồng độ TEOS sử dụng là nồng độ tối ưu được lựa chọn trong quy

trình khảo sát trên.

Phương pháp đánh giá

Các hạt SSN@CTAB/SSN trong quá trình khảo sát và SSN - SSN được đánh

giá hình thái qua ảnh TEM, đánh giá kích thước hạt. Ngoài ra, mẫu SSN@CTAB/SSN

có kích thước nhỏ nhất và bền sẽ được đánh giá thế zeta và độ bền thế theo thời gian,

diện tích bề mặt, phân tích nhiệt khối lượng TGA.

Chuẩn bị mẫu: Mẫu sau khi đông khô (các thông số cài đặt như sau: nhiệt độ

-38,1oC, áp suất 29,5 Pa) trong 3 ngày thì được phân tán lại trong nước khử ion đã

được lọc qua màng 0,45µm với nồng độ 1000 ppm. Đối với mẫu chụp hình TEM, sau

khi dung dịch được siêu âm thì tráng ngay lên bề mặt lưới đồng và làm khô. Riêng

đối với mẫu đo kích thước hạt, thế zeta thì dung dịch được để ổn định khoảng 1 giờ

sau khi siêu âm. Mẫu đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp, TGA được chuẩn bị

ở dạng rắn.

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

Phương pháp nghiên cứu

Hạt nano silica cấu trúc rỗng được tổng hợp bằng phương pháp hard –

template. Đây là phương pháp phổ biến hiện nay vì có thể kiểm soát quá trình tạo hạt

và kích thước hạt. Quá trình tổng hợp gồm 3 giai đoạn: (i) Tổng hợp lõi nano silica

rắn, (ii) phủ lớp vỏ mao quản tạo thành cấu trúc lõi – vỏ SSN@CTAB/SSN) và (iii)

ăn mòn lõi tạo thành nano silica rỗng thể hiện trong Sơ đồ 2.4.

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

Quan sát Sơ đồ 2.4 nhận thấy, để kiểm soát kích thước hạt nano silica cấu trúc

rỗng, vấn đề đặt ra là phải kiểm soát kích thước hạt nano silica được tạo thành trong

từng giai đoạn, đặc biệt là kích thước lõi nano silica rắn ban đầu. Báo cáo của Chen

và cộng sự cũng khẳng định kích thước của SiO2 là rất cần thiết trong việc ảnh hưởng

đến kích thước của lỗ rỗng. Các cấu trúc rỗng khác nhau có thể thu được bằng cách

kiểm soát kích thước và hình thái SiO2 thông qua thay đổi tỷ lệ các chất tham gia

phản ứng trong quá trình tạo lõi [36].

Các hạt nano silica với kích thước từ 20 - 200 nm được dùng như hệ dẫn truyền

thuốc trong cả in vitro, in vivo và kích thước hạt nhỏ thì hiệu quả của hệ dẫn truyền

thuốc tốt hơn [125-128]. Tuy nhiên, các hạt nano có kích thước nhỏ hơn 100 nm

thường có cấu trúc mao quản sắp xếp kém [129]. Hầu hết các hạt nano dẫn truyền

thuốc được FDA cho phép nghiên cứu lâm sàng hoặc tiền lâm sàng có kích thước trên

100 nm [126]. Do đó, 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.

Như vậy, lõi nano silica rắn với mong muốn sẽ có kích thước vào khoảng

100nm theo thống kê kích thước từ ảnh TEM bằng phần mềm ImageJ, như vậy kích

thước theo phương pháp tán xạ ánh sáng động học do bị bao phủ bởi lớp hydrate nên

kích thước khoảng 130nm được thực hiện ở mục 2.3.3. Lõi nano silica rắn được phủ

lớp vỏ bền (hạt SSN@CTAB/SSN được tổng hợp ở mục 2.2.2. Giai đoạn cuối cùng

trong tổng hợp nano silica cấu trúc rỗng HSMS là quá trình xử lý lõi SSN trong cấu

trúc lõi – vỏ SSN@CTAB/SSN. Lõi SSN có thể được ăn mòn bằng dung dịch KMnO4

[130], môi trường axit (như HF) hoặc bazơ (như Na2CO3) [131]. Trong đó lõi chủ

yếu được xử lý trong môi trường bazơ yếu bằng cách sử dụng dung dịch Na2CO3

nhằm mục đích kiểm soát phản ứng ăn mòn được diễn ra từ từ [30, 31]. Do đó yếu tố

chính được khảo sát là thời gian phản ứng để xác định tại thời gian nào thì lõi được

ăn mòn hoàn toàn. Cũng trong phản ứng ăn mòn này, yếu tố nhiệt độ cũng được sử

dụng để tăng tốc độ phản ứng. Giai đoạn cuối cùng, chất hoạt động bề mặt sẽ được

loại bỏ bằng cách nung ở nhiệt độ cao, chiết với dung dịch NaCl trong methanol, HCl

và ethanol tại 60oC [4] hoặc thẩm tách trong dung dịch acetic axit và ethanol tại nhiệt

độ phòng để tạo thành lớp vỏ có cấu trúc mao quản.

Đặc biệt trong quá trình ăn mòn lõi silica bên trong, chất hoạt bề mặt CTAB

giữ vai trò quan trọng trong việc tạo cấu trúc mao quản trên lớp vỏ và thúc đẩy quá

trình ăn mòn [30, 132]. Do đó, để khẳng định vai trò này của CTAB, ngoài phản ứng

ăn mòn hạt SSN@CTAB-SSN, một thử nghiệm so sánh được thực hiện đó là tiến

hành ăn mòn hạt SSN – SSN (không có sử dụng CTAB trong quá trình phủ lớp vỏ).

Quy trình tổng hợp

a) Từ hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ SSN@CTAB-SSN

Phân tán các hạt nano silica rắn SSN@CTAB/SSN vào nước khử ion và tiến

hành đánh siêu âm 15 phút. Cho dung dịch vào bình cầu và đặt lên bếp đã được gia

nhiệt tại 50oC, khuấy dung dịch trong 30 phút. Sau đó cho dung dịch Na2CO3 0,2 M

vào dung dịch. Thực hiện phản ứng tại các điểm thời gian lần lượt T = 1; 3; 6; 9; và

12 (giờ) thì dừng lại, kí hiệu tương ứng các mẫu như sau HMSN-1, HMSN-3, HMSN-

6, HMSN-9, HMSN-12. Sản phẩm thu được đem thẩm tách bằng màng 12-14KDa

trong dung dịch CH3COOH 2M và ethanol theo tỷ lệ 1:1 về thể tích, thời gian là 4

ngày, dịch thẩm tách được thay 4 lần/ngày, sau đó được thẩm tách lại bằng nước cất

trong 2 ngày, nước được thay 4 lần/ngày và đông khô thu được hạt. Sơ đồ tổng hợp

được thể hiện trong Sơ đồ 2.5.

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

b) Từ hạt nano silica cấu trúc lõi – vỏ SSN – SSN

Quy trình tổng hợp được thực hiện theo Sơ đồ 2.5, theo quy trình tổng hợp từ

các hạt SSN@CTAB/SSN. Sản phẩm tạo thành được kí hiệu HMSN-K.

Phương pháp đánh giá

Các hạt HMSN, HMSN-K được đánh giá hình thái qua ảnh TEM. Ngoài ra,

hạt HMSN được đánh giá kích thước hạt và thế zeta, ảnh SEM, đánh giá diện tích bề

mặt, FTIR, XRD, XPS.

Chuẩn bị mẫu: Mẫu sau khi đông khô (các thông số cài đặt như sau: nhiệt độ

-38,1oC, áp suất 29,5 Pa) trong 3 ngày thì được phân tán lại trong nước khử ion đã

được lọc qua màng 0,45µm với nồng độ 1000 ppm. Đối với mẫu chụp hình TEM, sau

khi dung dịch được siêu âm thì tráng ngay lên bề mặt lưới đồng và làm khô. Riêng

đối với mẫu đo kích thước hạt, thế zeta thì dung dịch được để ổn định khoảng 1 giờ

sau khi siêu âm. Đối với các chỉ tiêu còn lại, mẫu được chuẩn bị ở dạng rắn.

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

Phương pháp nghiên cứu

Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm amin bằng phương pháp

đồng ngưng - tụ “co-condensation” thông qua tiền chất silicon chứa nhóm amin có

thể là 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) hay 3-aminopropyltrimethoxysilane

(APTMS) (Sơ đồ 2.6) [95, 133].

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

Phản ứng có thể được thực hiện trong dung môi toluen hoặc enthanol, tại nhiệt

độ thường hay nhiệt độ cao từ 60 - 80oC [2, 32, 94, 134]. Như vậy, trong quy trình

tổng hợp chọn các chất tham gia phản ứng gồm ethanol, APTES và tiến hành khảo

sát lượng amin được biến tính trên bề mặt. Tất cả các phản ứng được thực hiện tại

nhiệt độ phòng.

Ngoài ra nhóm amin được biến tính trên bề mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng

được định lượng bằng thử nghiệm ninhydrin với APTES được sử dụng làm chất chuẩn

[135-139]. Khi ninhydrin phản ứng với nhóm amin sẽ tạo thành phức màu hồng đặc

trưng của ninhydrin – amino (Hình 2.2) [140]. Phương pháp phổ UV – Vis được dùng

để định lượng nhóm amin tại bước sóng 570 nm [141].

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

Quy trình tổng hợp

a) Biến tính bề mặt nano silica cấu trúc rỗng với nhóm amin (HMSN-NH2)

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

Phân tán 200mg hạt nano silica cấu trúc rỗng HMSN vào ethanol và tiến hành

đánh siêu âm 15 phút. Cho dung dịch vào bình cầu và khuấy 15 phút tại nhiệt độ

thường. Sau đó nhỏ từ từ APTES vào hỗn hợp, thực hiện phản ứng tại các thể tích

của APTES lần lượt là: 50; 100; 250; 500 và 800 (µl) tương ứng các mẫu tạo thành

được kí hiệu HMSN-NH2-50, HMSN-NH2-100, HMSN-NH2-250, HMSN-NH2-500,

HMSN-NH2-800. Sau đó tiếp tục khuấy 24 giờ tại nhiệt độ phòng thì dừng phản ứng.

Sản phẩm được ly tâm rửa với ethanol, nước trong 10 phút với tốc độ 10000 rpm và

mẫu được đông khô. Quy trình tổng hợp thể hiện trong Sơ đồ 2.7.

b) Định lượng nhóm amin trên bề mặt hạt nano silica cấu trúc rỗng

Pha 1 lít dung dịch đệm acetate pH 5,5 gồm: Hòa tan 544 g natri acetate trong

400 ml nước cất, sau đó thêm 100 ml dung dịch acetic axit, định mức đến vạch 1 lít

bằng nước cất, điều chỉnh pH cần thiết bằng dung dịch NaOH.

Pha thuốc thử Ninhydrin: Hòa tan 2 g ninhydrin vào 75 ml DMSO, sau đó

thêm 25 ml đệm acetate. Dung dịch được chứa trong chai màu nâu.

Các hạt nano silica HMSN-NH2 được phân tán trong nước khử ion, đánh siêu

âm 15 phút.

Quy trình định lượng: Cho 2 ml dung dịch HMSN-NH2 vào lọ thủy tinh, thêm

tiếp 2 ml thuốc thử ninhydrin, lắc đều và sau đó đặt lên bếp được gia nhiệt tại 80oC

trong 20 phút. Lấy lọ thủy tinh ra làm nguội, tiến hành ly tâm trong 5 phút với tốc

độ 10000 rpm, lấy dung dịch bên trên pha loãng với 10 ml dung dịch ethanol/H2O (tỷ

lệ 1:1 v/v). Đo độ hấp phụ của dung dịch bằng phổ UV/Vis tại bước sóng 570 nm.

Phương pháp đánh giá

Các hạt HMSN-NH2-50, HMSN-NH2-100, HMSN-NH2-250, HMSN-NH2-

500, HMSN-NH2-800 được đánh giá hình thái qua ảnh TEM. Đánh giá kích thước

hạt và thế zeta, đánh giá diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp. Ngoài ra, mẫu chứa lượng

nhóm amin cao nhất được phân tích bằng FTIR, XRD, XPS, TGA.

Chuẩn bị mẫu: Mẫu sau khi đông khô (các thông số cài đặt như sau: nhiệt độ

-38,1oC, áp suất 29,5 Pa) trong 3 ngày thì được phân tán lại trong nước khử ion đã

được lọc qua màng 0,45µm với nồng độ 1000 ppm. Đối với mẫu chụp hình TEM, sau

khi dung dịch được siêu âm thì tráng ngay lên bề mặt lưới đồng và làm khô. Riêng

đối với mẫu đo kích thước hạt, thế zeta thì dung dịch được để ổn định khoảng 1 giờ

sau khi siêu âm. Đối với các chỉ tiêu còn lại, mẫu được chuẩn bị ở dạng rắn.

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

Phương pháp nghiên cứu

Poly (ethylene glycol) (PEG) được coi là một trong những polymer được dùng

để biến tính bề mặt phù hợp nhất vì những tính chất độc đáo bao gồm độ hòa tan trong

cả nước và dung môi hữu cơ, độc tính thấp, tính tương thích sinh học và khả năng

phân hủy sinh học tốt. Trước khi biến tính, PEG cần được “hoạt hóa” tức là những

nhóm OH ở vị trí cuối cần được chuyển thành những nhóm hoạt động như halogen,

aldehyde [93, 142]. Trong nghiên cứu, monomethoxyl polyethylene glycol (mPEG,

MW 5 KDa) được hoạt hóa bởi 4-Nitrophenyl chloroformate (NPC) sản phẩm tạo

thành mPEG-NPC. Do NPC dễ dàng phản ứng với nhóm amin trong nước nên để

biến tính bề mặt nano silica với mPEG (sản phẩm kí hiệu HMSN-mPEG) sẽ sử dụng

mẫu silica trên bề mặt có chứa nhóm amin cao nhất trong các tỉ lệ khảo sát thể tích

của APTES thực hiện ở nội dung 2.3.5.

Quy trình tổng hợp

a) Hoạt hóa mPEG bằng 4-Nitrophenyl chloroformate (NPC)

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

Cân 50 gam (0,01mol) mPEG cho vào bình cầu 250 ml, làm nóng chảy ở nhiệt

độ 65oC trong môi trường chân không khoảng 2 giờ. Sau đó cho 2,42 g (0,012 mol)

NPC vào bình cầu, khuấy ở nhiệt độ 65oC, môi trường khí N2 trong 5 giờ với tốc độ

350 rpm. Giảm nhiệt độ xuống 40oC, cho 50 ml THF vào khuấy ở nhiệt độ phòng

trong vòng 16 giờ. Hỗn hợp thu được đem kết tủa trong 500 ml diethyl ether và lọc

hút chân không để thu sản phẩm. Tiến hành cô quay chân không 30 phút nhằm loại

bỏ hoàn toàn dung môi còn sót lại đến khối lượng không đổi. Sản phẩm thu được ở

dạng bột, màu trắng mịn.

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

Phân tán 50mg HMSN-NH2 (mẫu chứa lượng amin cao nhất) trong 10ml nước

khử ion, đánh siêu âm trong 15 phút và cho vào bình cầu, gọi là dung dịch A. Hòa

tan mPEG-NPC trong nước khử ion, khuấy đến tan, gọi là dung dịch B. Nhỏ từ từ

dung dịch B vào dung dịch A, tiếp tục khuấy trong vòng 2 giờ với tốc độ 350 rpm.

Sản phẩm thu được thẩm tách với nước cất bằng màng 12×14 KDa trong 2 ngày, thay

nước 4 lần/ngày, sau đó đông khô thu được mẫu HMSN-mPEG dạng bột màu trắng.

Sơ đồ 2.9. Sơ đồ tổng hợp HMSN-mPEG

Phương pháp đánh giá

Mẫu mPEG-NPC, HMSN-mPEG được phân tích bằng FTIR. Ngoài ra mẫu

HMSN-mPEG được đánh giá hình thái qua ảnh SEM, TEM. Đánh giá kích thước hạt

và thế zeta, đánh giá diện tích bề mặt - thể tích lỗ xốp, XRD, XPS và TGA.

Chuẩn bị mẫu: Mẫu sau khi đông khô (các thông số cài đặt như sau: nhiệt độ

-38,1oC, áp suất 29,5 Pa) trong 3 ngày thì được phân tán lại trong nước khử ion đã

được lọc qua màng 0,45µm với nồng độ 1000 ppm. Đối với mẫu chụp hình TEM, sau

khi dung dịch được siêu âm thì tráng ngay lên bề mặt lưới đồng và làm khô. Riêng

đối với mẫu đo kích thước hạt, thế zeta thì dung dịch được để ổn định khoảng 1 giờ

sau khi siêu âm. Đối với các chỉ tiêu còn lại, mẫu được chuẩn bị ở dạng rắn.

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

Phương pháp nghiên cứu

Tương tự như mPEG, đối với Pluronic cũng cần được hoạt hóa với 4-

Nitrophenyl chloroformate. Tuy nhiên, trong cấu trúc của Pluronic có hai nhóm –OH

ở hai đầu, nên sau khi cả hai đầu được hoạt hóa với NPC thì tiếp tục cho phản ứng

với 3-amino-1-propanol để tạo thành một nhóm –OH ở một đầu, sản phẩm tạo thành

kí hiệu NPC-F127-OH. Tiếp theo, để biến tính bề mặt nano silica với Pluronic

(HMSN-F127), sử dụng mẫu silica trên bề mặt có chứa nhóm amin phản ứng với

Pluronic đã hoạt hóa để tạo thành HMSN-F127.

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

Quy trình tổng hợp

a) Hoạt hóa Pluronic (F127) bằng 4-Nitrophenyl chloroformate (NPC)

Cân 5 gam F127 cho vào bình cầu 250 mL làm nóng chảy ở nhiệt độ 65oC

trong môi trường chân không khoảng 1 giờ 30 phút để F127 tan chảy hoàn toàn và

đồng thời không có độ ẩm trong mẫu. Sau đó 0,18 g NPC cho vào bình cầu, khuấy ở

nhiệt độ 65oC, môi trường khí N2 trong 5 giờ. Giảm nhiệt độ xuống 40oC, cho 10 ml

THF vào khuấy ở nhiệt độ trong vòng 16 giờ. Cho 0,03 ml 3-amino-1-propanol (1,2

mmol và d = 0,982 gam/l) pha loãng bằng 10 ml THF, nhỏ giọt từ từ vào bình cầu,

khuấy từ trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng. Dung dịch thu được đem đi tủa trong 250 ml

diethyl ether. Sau đó, hỗn hợp được lọc hút chân không, sản phẩm được đem đi cô

quay để loại hoàn toàn dung môi còn sót lại đến khối lượng không đổi. Sản phẩm thu

được có màu trắng mịn.

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

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

Phân tán 50 mg HMSN-NH2 (mẫu chứa lượng amin cao nhất) trong 10ml nước

khử ion, đánh siêu âm trong 15 phút và cho vào bình cầu, gọi là dung dịch A. Hòa

tan NPC-F127-OH trong nước khử ion, khuấy đến tan, gọi là dung dịch B. Nhỏ từ từ

dung dịch B vào dung dịch A, tiếp tục khuấy trong vòng 2 giờ với tốc độ 350 rpm.

Sản phẩm thu được thẩm tách với nước cất bằng màng 12×14 KDa trong 2 ngày, thay

nước 4 lần/ngày, sau đó đông khô thu được mẫu HMSN-F127 dạng bột màu trắng.

Phương pháp đánh giá

Mẫu NPC-F127-OH, HMSN-F127 được phân tích bằng FTIR. Ngoài ra mẫu

HMSN-F127 được đánh giá hình thái qua ảnh SEM, TEM. Đánh giá kích thước hạt