Nghiên cứu chế tạo màng tổ hợp polycaprolactone/xanthan gum mang dược chất chrysophanol bằng phương pháp in 3D

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 369

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG TỔ HỢP POLYCAPROLACTONE/XANTHAN

GUM MANG DƯỢC CHẤT CHRYSOPHANOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP IN 3D

RESEARCH ON FABRICATION OF POLYCAPROLACTONE/XANTHAN GUM

COMPOSITE MEMBRANES CARRYING CHRYSOPHANOL USING 3D PRINTING

METHOD

Nguyễn Nhật An1, Nguyễn Thị Hương2,*

1Lớp HHOD 01- K17, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: huongnt1@haui.edu.vn

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo màng tổ hợp polycaprolactone/xathan gum mang dược chất

chrysophanol bằng phương pháp in 3D. Được tạo ra với tỷ lệ là 85/15 và hàm lượng chiếm 5% khối lượng

polycaprolactone/ xathan gum. Tổng khối lượng tổ hợp polymer polycaprolactone/ xathan gum (chất mang) là 5 gam với

tỷ lệ polycaprolactone/ xathan gum là 85/15. Dược chất chrysophanol được đưa vào với tỷ lệ 5% khối lượng so với khối

lượng tổng polycaprolactone/xathan gum. Tương tự, chất nhũ hóa polyethylen oxide và polysorbate 80 được đưa vào trong

tổ hợp với tỷ lệ khối lượng lần lượt là 15% và 5% so với tổng khối lượng polycaprolactone/xathan gum. Sau đó được đem

in 3D với các điều kiện khác nhau như tốc độ in, độ dày lớp in, số lớp in, nhiệt độ bàn in. Khi khảo sát một điều kiện sẽ cố

định ba điều kiện còn lại. Kết quả bao gồm độ ẩm mẫu và độ dày mẫu, quét phổ hồng ngoại biến đổi (FT-IR), chụp SEM

và nghiên cứu mức độ giải phóng chrysophanol tại dung dịch pH 2 và dung dịch đệm pH 7,4 (mô phỏng lại độ pH trong

dịch dạ dày và dịch ruột ở người).

Từ khóa: polymer polycaprolactone, xathan gum, chrysophanol, 3D printing method.

ABSTRACT

This paper presents the results of the research on the fabrication of polycaprolactone/xanthan gum composite films

carrying the drug chrysophanol by 3D printing method. It was created with a ratio of 85/15 and the content accounted for

5% of the mass of polycaprolactone/xanthan gum. The total mass of the polycaprolactone/ xanthan gum polymer composite

(carrier) was 5 grams with a polycaprolactone/ xanthan gum ratio of 85/15. The drug chrysophanol was added at a mass

ratio of 5% compared to the total mass of polycaprolactone/xanthan gum. Similarly, the emulsifiers polyethylene oxide

and polysorbate 80 were added to the composite at mass ratios of 15% and 5% respectively compared to the total mass of

polycaprolactone/ xanthan gum. It was then 3D printed under different conditions such as printing speed, printing layer

thickness, number of printing layers, and printing bed temperature. When examining one condition, the remaining three

conditions were fixed. The results included sample moisture and sample thickness, Fourier transform infrared spectroscopy

(FT-IR), stereomicroscopy, SEM, and chrysophanol release studies at pH 2 and pH 7.4 buffer solutions (simulating the pH

of human gastric and intestinal fluids).

Keywords: polymer polycaprolactone, xathan gum, chrysophanol, 3D printing method.

1. GIỚI THIỆU

Chrysophanol (CSP) là thành phần hoạt chất chính của

Rheum palmatum L (Đại hoàng). Danh pháp IUPAC là 1,8-

dihydroxy-3-metyl-anthraquinone [1]. Là một dẫn xuất của

anthraquinone (dẫn xuất của anthracene với 2 nhóm keton

đính ở vị trí số 9 và 10 của anthracene) gồm 2 nhóm

hydroxy đính ở vị trí số 1 và 8, 1 nhóm metyl đính ở vị trí

số 3 của anthraquinone. Chất này còn được gọi là acid

chrysophanic. Công thức phân tử của chrysophanol là

C15H10O4 [2]. CSP được biết đến với các tác dụng dược lý

rộng rãi như chống viêm, chống ung thư, bảo vệ hệ thần

kinh [1], giảm tình trạng xơ hóa thận [3]. Polycaprolacton

(PCL) là một polyme kỵ nước bán tinh thể có điểm nóng

chảy thấp và có khả năng tương thích sinh học tốt, sản phẩm

phân hủy không độc hại. Ngoài ra, PCL còn thể hiện khả

năng bám dính tốt với nhiều loại chất nền khác nhau [4].

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 370Nhờ độ thấm cao, tương hợp tốt với các polyme, các hợp

chất hữu cơ khác nhau nên PCL đang được sử dụng để phát

triển các hệ mang thuốc/dược chất [5]. Một số ứng dụng của

PCL có thể kể đến bao gồm làm chất phân phối thuốc có

kiểm soát, làm chỉ phẫu thuật tự tiêu [6]. Xathan gum (XG)

là một loại polyme ngoại bào được sản xuất từ vi khuẩn

Xanthomonas campestris thông qua quá trình lên men hiếm

khí chìm. Ngoài ra, XG còn có các dặc tính lý hóa nổi bật,

có độ ổn định trong phạm vi cao về nhiệt độ và pH, độ nhớt

cao ở nồng dộ thấp. Được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh

vực như thực phẩm, dược phẩm, phân phối thuốc,… [7]. Vật

liệu tổ hợp trên cơ sở polycaprolacton, XG và các polyme

khác mang chrysophanol được chế tạo bằng các phương

pháp như trộn chrysophanol với các chất tạo gel, trộn

chrysophanol với chất mang là polyme được khâu mạch,

trùng hợp liên bề mặt (interfacial polymerization). Gel chứa

chrysophanol được chế tạo bằng cách sử dụng carbopol-940

như là chất tạo gel. Chrysophanol ở dạng rắn được nghiền

bằng phương pháp đồng nghiền mới (Novel cogrinding) và

polyethylene glycol (PEG) 6000 cùng với hợp chất có tên

thương mại HPMC là các chất mang. Cụ thể, 100 mg thuốc

được trộn với hỗn hợp bao gồm 100 mg PEG 6000 và 50

mg HPMC (tỷ lệ 2:1) và hỗn hợp này được gia nhiệt trong

thiết bị điều nhiệt nước nóng cho đến khi PEG 6000 nóng

chảy, sau đó được làm nguội xuống nhiệt độ phòng. Tiếp

theo, hỗn hợp dung môi (3 ml) với methanol và

dichloromethane (tỷ lệ 1:2) được trộn đều với hỗn hợp nói

trên. Sau khi bốc hơi có kiểm soát hệ dung môi,

chrysophanol trong hỗn hợp có hàm lượng 15% (thể

tích/khối lượng, v/w). Dung dịch này được đưa vào

carbopol (đã trung hòa bằng triethanolamine) và được

khuấy với tốc độ cao bằng máy khuấy cơ. Sau đó, glycerin

và nước tin khiết được đưa vào gel [8].

2. THỰC NGHIỆM

2.1. Vật liệu

Polycaprolactone (PCL) (C6H10O2)n (độ tinh khiết 99%,

màu trắng đục) xuất xứ Sigma Aldrich, Mỹ. Xanthan gum

(XG) E415 C35H49O29 (độ tinh khiết 99%, kích thước 200

mesh) xuất xứ Ziboxan, Trung Quốc. Chrysophanol (CSP)

C15H10O4 (độ tinh khiết 98%, dạng bột cam) xuất xứ Trung

Quốc. Polyethylen oxide (PEO) (tinh khiết 99%) xuất xứ

Sigma Aldrich, Mỹ. Tween 80 (Polysorbate 80, chất lỏng

dạng dầu màu vàng) xuất xứ Xilong, Trung Quốc. Các hóa

chất khác gồm dicloromethan (DCM) (99,5%), etanol

(99,7%), HCl (36~38%), KCl (99,5%), NaOH (96%),

Na2HPO4.12H2O (99%), KH2PO4 (99%) xuất xứ Trung

Quốc.

2.2. Chuẩn bị màng in 3D

2.2.1. Chuẩn bị dịch in 3D

Tổng khối lượng tổ hợp polymer PCL/XG (chất mang)

là 5 gam với tỷ lệ PCL/XG là 85/15. Dược chất CSP được

đưa vào với tỷ lệ 5% khối lượng so với khối lượng tổng

PCL/XG. Tương tự, chất nhũ hóa PEO và Tween 80 được

đưa vào trong tổ hợp với tỷ lệ khối lượng lần lượt là 15%

và 5% so với tổng khối lượng PCL/XG.

2.2.2. Quy trình chế tạo màng in 3D

Bước 1: Cho vào cốc A gồm 0,75g XG và 80ml H2O,

khuấy đều hỗn hợp bằng máy khuấy từ trong 30 phút cho

XG tan hoàn toàn trong H2O.

Bước 2: Cho vào cốc B gồm 4,25g PCL vào 8ml DCM

và khuấy hỗn hợp trên máy khuấy từ trong 30 phút cho PCL

tan hoàn toàn trong DCM. Thêm 0,25g chrysophanol từ từ

vào và khuấy tiếp đến khi hỗn hợp có màu cam vàng.

Bước 3: Cho vào cốc A 0,25g Tween 80, sau đó khuấy

từ tiếp 30 phút.

Bước 4: Cân 0,75g PEO, đem hòa tan vào 15ml H2O,

sau đó nhỏ từ từ vào cốc A đang được khuấy trên máy khuấy

từ.

Bước 5: Nhỏ từ từ dung dịch từ cốc B sang cốc A đang

được khuấy trên máy khuấy từ. Sau đó đồng hóa mẫu 3 lần

bằng thiết bị IKA Ultra T25, mỗi lần đồng hóa trong vòng

5 phút.

Bước 6: Nhũ tương thu được khuấy trên máy khuấy từ

trong vòng 2 giờ, sau đó để tủ lạnh qua đêm cho ổn định hệ

nhũ.

Bước 7: Trước khi tiến hành in 3D, nhũ tương được

khuấy trên máy khuấy từ trong 2 giờ để hỗn hợp đạt được

độ đồng nhất cao nhất.

Bước 8: Hút hỗn hợp thu được bằng bơm rồi nạp vào

máy in 3D và in theo chương trình sẵn có với đầu in kích

thước ID = 0,91mm; OD = 0,6mm (in theo kích thước

1,8x4,8mm; in chéo từng lớp đan xen với nhau).

2.2.3. Các điều kiện khảo sát in 3D đối với các mẫu

Đối với khảo sát số lớp: dao động từ 2 đến 4 lớp, cố định

các thông số còn lại (độ dày lớp: 0,2 mm; tốc độ in: 10

mm/s; nhiệt độ bàn in: 29°C).

Đối với khảo sát độ dày lớp: dao động từ 0,1 đến 0,3

mm, cố định các thông số còn lại (số lớp: 2 lớp; tốc độ in:

10 mm/s; nhiệt độ bàn in: 29°C).

Đối với khảo sát tốc độ in: dao động từ 5 đến 15 mm/s,

cố định các thông số còn lại (số lớp: 2 lớp; độ dày lớp: 0,2

mm; nhiệt độ bàn in: 29°C).

Đối với khảo sát nhiệt độ bàn in: dao động từ 29 đến

80°C, cố định các thông số còn lại (số lớp: 2 lớp ; độ dày

lớp: 0,2 mm; tốc độ in: 10 mm/s).

2.3. Dung dịch khảo sát

2.3.1. Dung dịch pH 2

Dung dịch pH 2 được pha theo công thức sau: Cân chính

xác 5,193g KCL cho vào cốc thủy tinh 500ml đã được rửa

sạch và sấy khô. Dùng ống đong đong 300ml nước cất thêm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 371vào cốc. Sau đó thêm 1,722 ml dung dịch HCL đặc, khuấy

đến khi lượng chất trong cốc tan hết. Chuyển dung dịch vào

bình định mức 500ml, thêm nước cất đến 500ml.

2.3.2. Dung dịch đệm pH 7,4

Dung dịch đệm pH 7,4 được pha theo công thức sau:

Cân chính xác 17,011g KH2PO4 pha vào 100 ml nước cất.

Cân chính xác 69,39 Na2HPO4.12H2O pha vào 100 ml nước

cất. Đổ 2 dung dịch trên vào 2 bình định mức 500 ml sau

đó định mức lên 500 ml, tiếp theo trộn 2 dung dịch thu được

dung dịch đệm pH 7,4.

3 . KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tương quan về mẫu trong, sau khi in và sau khi khô

Các mẫu in dưới tác dụng của nhiệt độ trong suốt quá

trình in khiến cho mẫu khi vừa in xong đã có độ khô nhất

định, riêng mẫu nhiệt độ 80°C khô ngay sau khi in xong.

Phần lớn các mẫu có tốc độ khô nhanh (từ 15 ~ 30 phút sau

khi in) trừ các mẫu 1002294 và 1003293 do độ dày quá lớp

khiến nước khó bay hơi hơn. Thời gian in trung bình một

mẫu vào khoảng 13 phút/mẫu. Trong đó mẫu 502293 có tốc

độ in chậm nhất, mất 20 phút để in xong 1 mẫu trong khi đó

mẫu 1502293 chỉ mất 7 phút.

3.2. Độ ẩm mẫu và độ dày mẫu

Kết quả khảo sát được trình bày trong hình 1.

Hình 1. Biểu đồ mô tả % ẩm trong mẫu và độ dày mẫu (dự kiến

và thực tế)

Từ các kết quả hàm ẩm và độ dày mẫu được trình bày

trong hình 1, ta thấy độ ẩm trong tất cả các mẫu rất thấp

(chiếm từ 6% ~ 1% tổng khối lượng mẫu sau khi khô), điều

này chứng tỏ tất cả các mẫu in 3D đều đạt điều kiện khô ráo

sau khi để khô tự nhiên. Ngoài ra, độ dày dự kiến cao hơn

khoảng 2 lần so với thực tế cho thấy lượng nước trong mẫu

chiếm khá nhiều khi còn ở dạng dịch.

3.3. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

Hình 2 trình bày phổ FT-IR của các mẫu khảo sát.

Hình 2. Phổ FT-IR của màng PCL/XG/CSP theo từng điều kiện in

(số lớp, tốc độ in, độ dày lớp in, nhiệt độ bàn in)

Quan sát phổ FT-IR của các mẫu màng tổ hợp

PCL/XG/CSP trên hình 2, ta thấy xuất hiện các vân phổ đặc

trưng cho các nhóm chức của PCL, XG và CSP. Ngoài ra,

dao động đặc trưng của chất tương trợ (PEO) và chất hoạt

động bề mặt (Tween 80) cũng xuất hiện ở trong mẫu màng

tổ hợp PCL/XG/CSP cho thấy tất cả các thành phần có trong

mẫu đã kết hợp với nhau. Các chất tương trợ và chất hoạt

động bề mặt có ảnh hưởng nhẹ và chuyển dịch số sóng

không đáng kể đối với các vân phổ đặc trưng của PCL, XG

và CSP.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 3723.4. Phân tích hình thái cấu trúc bằng hiển vi điện tử

quét (SEM)

Hình 3 trình bày ảnh SEM của màng PCL/XG/CSP (mẫu

1002293) với 1000 lần và 10.000 lần. Có thể thấy sự trộn

lẫn các pha với nhau trong màng tổ hợp, trong đó PCL là

pha nền, XG là pha phân tán ở dạng hình cầu với kích thước

từ 2-3 μm. Không quan sát thấy sự xuất hiện của CSP trên

bề mặt mẫu chứng tỏ CSP đã phân tán và tương hợp tốt với

PCL và XG nhờ sự có mặt của PEO và Tween 80.

Hình 3. Ảnh SEM của mẫu PCL/XG/CSP 1002293

Các hình 4 và 5 lần lượt là ảnh SEM của mẫu 1002294

và mẫu 1002292. Tương tự ở trên, CSP cũng phân tán tốt

trong nền PCL và XG khi có mặt các chất tương hợp PEO

và chất hoạt động bề mặt Tween 80.

Hình 4. Ảnh SEM của mẫu PCL/XG/CSP 1002294

Hình 5. Ảnh SEM của mẫu PCL/XG/CSP 1002292

3.5. Nghiên cứu mức độ giải phóng CSP từ vật liệu tổ

hợp bằng phương pháp quang phổ hấp thụ tử ngoại –

khả kiến (UV-VIS)

Hình 6 trình bày hàm lượng CSP giải phóng từ màng

PCL/XG/CSP theo từng điều kiện in cụ thể, khảo sát sau 2

giờ giải phóng trong dung dịch pH 2 và 2 giờ giải phóng

trong dung dịch đệm pH 7,4.

Từ kết quả trong hình 6, ta thấy trong 4 giờ thử nghiệm,

hàm lượng CSP của mẫu CSP tinh thể giải phóng thấp nhất,

chỉ đạt 1,3%. Đối với các mẫu màng còn lại, hàm lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 373CSP giải phóng vào dung dịch đệm pH 7,4 lớn hơn so với

dung dịch pH 2. Điều này cho thấy có thể do môi trường

acid nên CSP khó khuếch tản khỏi màng trong môi trường

acid giảm đáng kể so với trong môi trường trung tính. Ngoài

ra, có thể môi trường acid thúc đẩy quá trình proton hóa các

polymer có trong màng dẫn đến tình trạng tạo lớp proton