Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Rutin là một hợp chất glycoside tự nhiên thuộc nhóm flavonoid (gồm phần aglycon là quercetin kết hợp với phần đường rutinose), được phân lập chủ yếu từ nụ hoa hòe (Sophora japonica L.) với hàm lượng chiết xuất có thể đạt tới 18%. Về mặt dược lý, rutin đã được chứng minh có nhiều tác dụng sinh học quan trọng: làm bền thành mao mạch, giảm tính thấm mao mạch, chống oxy hóa, loại trừ các gốc tự do, kháng viêm, hỗ trợ điều hòa huyết áp, phòng ngừa các biến cố xơ vữa động mạch và ngăn chặn sự phát triển của khối u. Mặc dù sở hữu hoạt tính sinh học đa dạng và nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào, rutin ít tan trong nước (độ tan chỉ khoảng 0,0125 g/L ở nhiệt độ phòng). Độ hòa tan kém này là rào cản chính làm giảm tốc độ hòa tan và độ thẩm thấu qua màng sinh học, dẫn đến sinh khả dụng đường uống rất thấp, hạn chế việc ứng dụng rutin trong các chế phẩm dược phẩm hiện đại.

Để khắc phục nhược điểm về độ tan, hướng tiếp cận giảm kích thước tiểu phân dược chất xuống thang nanomet (< 1000 nm) được xem là giải pháp then chốt nhằm gia tăng diện tích tiếp xúc bề mặt và độ hòa tan bão hòa. Từ năm 2009, các nghiên cứu của nhóm tác giả R. H. Müller về nano rutin chủ yếu áp dụng phương pháp đồng nhất hóa áp suất cao ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa triển khai rộng rãi ở quy mô sản xuất và kích thước tiểu phân thu được vẫn còn tương đối lớn. Mặt khác, các nghiên cứu của nhóm tác giả Tao Liu chứng minh rằng kỹ thuật nghiền ướt cho kết quả kích thước tiểu phân đồng nhất ở cả quy mô phòng thí nghiệm thông thường lẫn quy mô siêu nhỏ, cho thấy tiềm năng nâng cấp quy mô khả thi. Kỹ thuật nghiền bi thuộc nhóm phương pháp cơ học từ trên xuống (top-down), có ưu điểm vận hành đơn giản, dễ triển khai, chi phí năng lượng thấp hơn đáng kể so với phương pháp đồng nhất hóa áp suất cao.

Nhằm giải quyết bài toán cải thiện độ hòa tan và mở đường cho khả năng ứng dụng thực tiễn của rutin ở quy mô lớn hơn, đề tài "Nghiên cứu bào chế nano rutin bằng kỹ thuật nghiền bi" của tác giả Mai Thị Thảo (Khoa Y - Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2019, người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Khanh) được tiến hành với 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Bào chế được nano rutin bằng phương pháp nghiền bi.
  2. Đánh giá một số đặc tính của tiểu phân nano rutin bào chế được.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 4 nội dung kỹ thuật:

  1. Định lượng rutin bằng phương pháp đo quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS).
  2. Khảo sát độ tan bão hòa của rutin trong nước, tốc độ hòa tan của rutin trong môi trường nước và môi trường đệm pH 6,8.
  3. Bào chế nano rutin bằng phương pháp nghiền ướt và đánh giá một số đặc tính của hỗn dịch nano rutin gồm: kích thước tiểu phân (KTTP), chỉ số đa phân tán (PDI) và thế zeta.
  4. Chuyển hỗn dịch nano rutin về dạng bột bằng phương pháp phun sấy và đánh giá một số đặc tính của bột phun sấy thành phẩm.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hoạt chất rutin chuẩn và hệ tiểu phân nano rutin (dạng hỗn dịch nghiền ướt và dạng bột sau phun sấy).
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số công nghệ nghiền bi (tần số nghiền, thời gian nghiền, loại bi) và thành phần tá dược (loại polyme ổn định, loại và nồng độ chất diện hoạt), kết hợp khảo sát sơ bộ thông số phun sấy phòng thí nghiệm; thực hiện tại Bộ môn Bào chế và Công nghiệp Dược phẩm, Khoa Y - Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

Nghiên cứu vận dụng nền tảng lý thuyết động học hòa tan và nhiệt động học của hệ phân tán tiểu phân:

  • Cấu trúc Rutin: Công thức phân tử $C_{27}H_{30}O_{16}$, trọng lượng phân tử 610,521 Da; tên IUPAC: 2-(3,4-dihydroxyphenyl)-5,7-dihydroxy-3-[(2S,3R,4S,5S,6R)-3,4,5-trihydroxy-6-{[(2R,3R,4R,5R,6S)-3,4,5-trihydroxy-6-methyloxan-2-yl]oxymethyl}oxan-2-yl]oxychromen-4-one; nhiệt độ nóng chảy $125^\circ\text{C}$.
  • Sự gia tăng tốc độ hòa tan theo phương trình Noyes - Whitney: $$\frac{dX}{dt} = \frac{DA}{h_D}(C_s - C_t)$$ Trong đó: $\frac{dX}{dt}$ là tốc độ giải phóng/hòa tan, $D$ là hệ số khuếch tán, $A$ là diện tích bề mặt tiếp xúc của tiểu phân, $h_D$ là bề dày lớp khuếch tán, $C_s$ là độ hòa tan bão hòa, $C_t$ là nồng độ dược chất trong môi trường tại thời điểm $t$. Khi kích thước hạt giảm về cấp độ nanomet, diện tích bề mặt $A$ tăng lên lũy thừa, dẫn đến tốc độ hòa tan tăng mạnh.
  • Sự gia tăng độ hòa tan bão hòa ở kích thước nanomet theo phương trình Kelvin và Ostwald - Freundlich: $$\ln \frac{P_r}{P_\infty} = \frac{2\gamma M_r}{r R T \rho}$$ $$\log \frac{C_s}{C_\alpha} = \frac{2\sigma V}{2{,}303 R T \rho r}$$ Trong đó: $r$ là bán kính tiểu phân, $C_s$ là độ hòa tan bão hòa của hạt bán kính $r$, $C_\alpha$ là độ tan của chất rắn kích thước lớn, $\sigma$ là sức căng liên kết/bề mặt, $V$ là thể tích mol, $\rho$ là khối lượng riêng. Khi bán kính $r < 1000\text{ nm}$, độ hòa tan bão hòa $C_s$ tăng rõ rệt so với dạng thô.
  • Kỹ thuật nghiền bi (Ball milling - Top-down): Sử dụng lực cơ học va đập (impact) và lực ma sát/mài mòn (attrition) sinh ra từ chuyển động của các viên bi bền chắc trong buồng quay kín để phá vỡ cấu trúc tinh thể thô. Trong nghiền ướt, môi trường lỏng cùng hệ chất diện hoạt và polyme thân nước bao phủ bề mặt hạt mới hình thành, ngăn ngừa sự tái kết tụ do lực Van der Waals và lực tĩnh điện.
  • Kỹ thuật phun sấy (Spray drying): Quá trình tạo bột khô liên tục bằng cách phân tán hỗn dịch qua đầu phun áp lực hoặc khí nén thành các giọt lỏng sương mù trong buồng sấy có dòng không khí nóng lưu chuyển, làm dung môi bay hơi trong thời gian 5 - 30 giây, sau đó thu hồi bột hạt qua hệ thống cyclon.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp định lượng: Đo quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS) trên máy Shimadzu UV-2600. Quét phổ từ bước sóng 200 nm đến 800 nm để tìm bước sóng hấp thụ cực đại ($\lambda_{\max}$), sau đó xây dựng đường chuẩn tương quan tuyến tính giữa mật độ quang (Abs) và nồng độ rutin trong methanol ở dải 5 - 20 mg/L.
  • Phương pháp xác định độ tan bão hòa: Phân tán lượng dư rutin nguyên liệu hoặc bột nano trong 20 ml nước cất, khuấy từ liên tục trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$), lọc qua màng cellulose acetat 0,45 $\mu\text{m}$, pha loãng thích hợp và đo quang phổ UV-VIS.
  • Phương pháp xác định tốc độ hòa tan in vitro: Thử nghiệm trên thiết bị đo độ hòa tan cánh khuấy (Dissolution system) ở $37^\circ\text{C}$, tốc độ 100 vòng/phút trong 900 ml môi trường (gồm nước cất và các hệ đệm pH 1,2; pH 4,5; pH 6,8 pha theo Dược điển Việt Nam V). Lượng mẫu thử tương ứng 50 mg rutin nguyên liệu hoặc 51,31 mg bột nano rutin. Lấy mẫu tại các thời điểm 5, 10, 15, 30, 60 phút (bù dịch tương ứng), lọc qua màng 0,45 $\mu\text{m}$ và định lượng đo quang.
  • Phương pháp bào chế nano rutin:
    • Nghiền khô: 2,5 g rutin phối hợp bi sứ trong buồng nghiền, tần số 20 - 30 Hz, thời gian 40 - 120 phút.
    • Nghiền ướt: 2,5 g rutin (20%), chất diện hoạt (0,1% - 1%), tá dược polyme ổn định (1% - 5%) phân tán trong 12,5 ml nước cất, sử dụng máy nghiền bi SFM-1 với bi zirconium oxid ($ZrO_2$) phối hợp nhiều kích cỡ (4 bi 25g, 10 bi 10g, 20 bi 5,5g, 33 bi 2g); khảo sát tần số (20 - 35 Hz) và thời gian (40 - 70 phút).
  • Phương pháp đánh giá đặc tính hệ tiểu phân:
    • Kích thước tiểu phân (KTTP) trung bình và chỉ số đa phân tán (PDI): Đo bằng phương pháp tán xạ ánh sáng / nhiễu xạ laser dựa trên lý thuyết Mie hoặc định luật Fraunhofer trên máy Horiba SZ100.
    • Thế zeta: Đo bằng phương pháp đo gió Doppler laser trên thiết bị Horiba SZ100.
    • Hàm ẩm bột phun sấy: Đo bằng phương pháp sấy mất khối lượng trên cân xác định độ ẩm hồng ngoại MB45 (theo DĐVN V, phụ lục 9.6).
    • Trạng thái tinh thể: Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) trên máy DSC LINSEIS (Đức), quét nhiệt độ từ 50 đến $300^\circ\text{C}$, tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C}$/phút, thổi khí nitrogen bảo vệ với lưu lượng 50 ml/phút.
    • Hiệu suất phun sấy ($K_p$): Tính theo tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng bột thu được thực tế và khối lượng chất rắn lý thuyết có trong dịch phun.
  • Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu thực nghiệm được tính toán và xử lý thống kê bằng phần mềm Microsoft Excel 2013, kết quả biểu thị dưới dạng Trung bình $\pm$ Độ lệch chuẩn ($X \pm SD$) với số lần lặp $n = 3$.

Nguồn nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

  • Nguyên liệu, tá dược: Rutin chuẩn độ tinh khiết 88,2% (Việt Nam, đạt tiêu chuẩn DĐVN V); Hydroxypropyl Methylcellulose (HPMC E15, HPMC K4M, HPMC E6 - Trung Quốc, tiêu chuẩn NSX); Polyvinyl Pyrrolidon (PVP K30 - Trung Quốc); Phosphatidylcholine (Trung Quốc); Glycerol Distearat (Trung Quốc); Natri Carboxymethyl Cellulose (NaCMC - Trung Quốc); Natri Lauryl Sulfat (NaLS - Trung Quốc); Polyxame 407 (Trung Quốc); Tween 80 (Mỹ); Nước cất (DĐVN IV).
  • Thiết bị nghiên cứu: Máy đo quang phổ UV-2600 Shimadzu (Nhật Bản); Hệ thống phân tích kích thước hạt và thế zeta Horiba SZ100 (Nhật Bản); Máy nghiền bi SFM-1 (Mỹ); Máy phun sấy EYELA SD 1010 (Nhật Bản); Máy đo nhiệt vi sai DSC LINSEIS (Đức); Máy đo độ hòa tan cánh khuấy (Ấn Độ); Máy đo hàm ẩm hồng ngoại MB45 (Thụy Sĩ); Cân phân tích AY 129 và cân kỹ thuật UX4200H Shimadzu (Nhật Bản).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này tổng hợp cơ sở lý luận và y văn khoa học liên quan đến đề tài:

  • Phân tích nguồn gốc thực vật, công thức hóa học, tính chất vật lý và dược lý lâm sàng của rutin; liệt kê các biệt dược thương mại trên thị trường như Mevon (500 mg), Meflavon (500 mg), Rutin-Vitamin C (50 mg), Swanson Rutin (500 mg), Antioxidants Bio-Rutin complex (500 mg), Siduol (100 mg).
  • Phân tích nguyên lý gia tăng sinh khả dụng của hoạt chất kém tan thông qua công nghệ nano, đối chiếu 3 kỹ thuật bào chế cơ bản: kỹ thuật từ trên xuống (top-down), kỹ thuật từ dưới lên (bottom-up) và kỹ thuật kết hợp. Nêu rõ bảng danh mục các thuốc nano đường uống được FDA cấp phép và thương mại hóa trên thế giới (Rapamune, Emend, Tricor, Megace ES...).
  • Trình bày cơ chế nghiền bi, phân tích các lực tác động làm giảm kích thước (lực lăn ép mài mòn ở tốc độ thấp, lực va đập rơi tự do ở tốc độ tối ưu và hiện tượng mất lực do lực ly tâm ép vào thành ở tốc độ quá cao); phân tích ưu nhược điểm giữa kỹ thuật nghiền khô và nghiền ướt.
  • Trình bày nguyên lý, cấu tạo thiết bị và các thông số công nghệ then chốt của quá trình phun sấy (nhiệt độ khí vào, tốc độ bơm dịch, nồng độ chất rắn, áp lực vòi phun).
  • Tổng kết các công trình nghiên cứu nano rutin trong và ngoài nước: nghiên cứu của Mauludin (2009) dùng đồng nhất hóa áp suất cao thu được hạt 727 nm; nghiên cứu phối hợp nghiền ướt và đồng nhất hóa của nhóm Müller thu hạt 240 - 640 nm; nghiên cứu của Tao Liu (2011) về nghiền ướt quy mô siêu nhỏ thu hạt 438 - 508 nm; các công bố tại Việt Nam của Nguyễn Văn Khanh và cộng sự (2012, 2014) về đồng nhất hóa áp suất cao và nghiền bi sơ bộ.

Chương II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương II mô tả chuẩn hóa quy trình thực nghiệm và các tiêu chí đánh giá:

  • Thiết lập phương pháp định lượng rutin bằng đo quang phổ tử ngoại tại cực đại hấp thụ $\lambda_{\max} = 257\text{ nm}$.
  • Quy trình thử độ tan bão hòa và thử độ hòa tan in vitro mô phỏng sự giải phóng tại các đoạn đường tiêu hóa (pH 1,2 dạ dày; pH 4,5 tá tràng; pH 6,8 ruột non và nước cất).
  • Thiết kế các thông số quy trình nghiền khô và nghiền ướt: lựa chọn buồng nghiền, hỗn hợp bi zirconium oxid ($ZrO_2$) đa kích thước để tối ưu hóa va chạm điểm và diện tích tiếp xúc.
  • Quy trình phun sấy hỗn dịch nano rutin trên máy EYELA SD 1010 với dải nhiệt độ khí vào $150 - 170^\circ\text{C}$, áp lực khí phun 15 kPa, tốc độ bơm mẫu 3,3 - 13,3 ml/phút, lưu lượng hút gió $0{,}4\text{ m}^3$/phút.
  • Các phương pháp phân tích kiểm nghiệm hóa lý: đo KTTP, PDI, thế zeta (Horiba SZ100), đo hàm ẩm (MB45), đo nhiệt lượng vi sai DSC (Linseis) nhằm xác định sự chuyển đổi trạng thái kết tinh hoặc vô định hình của rutin sau nghiền.

Chương III: Thực nghiệm, kết quả và bàn luận

Chương III trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm thu được từ quá trình tối ưu hóa công thức và điều kiện vận hành:

  • Xây dựng đường chuẩn định lượng rutin: Quét phổ UV-VIS dung dịch rutin chuẩn 25 mg/L trong methanol xác định bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda_{\max} = 257\text{ nm}$. Khảo sát dãy nồng độ 5,03; 10,06; 12,58; 15,10; 20,13 mg/L thu được phương trình hồi quy tuyến tính: $$y = 0{,}0377x + 0{,}0141 \quad (R^2 = 0{,}9987)$$ Hệ số tương quan $R^2 > 0{,}995$ chứng minh độ tuyến tính cao, phù hợp để định lượng mẫu thử.
Nồng độ (mg/L) Mật độ quang (Abs tại 257 nm)
5,03 0,196
10,06 0,392
12,58 0,494
15,10 0,587
20,13 0,760
  • Khảo sát độ tan bão hòa và tốc độ hòa tan của rutin nguyên liệu:
    • Độ tan bão hòa của rutin nguyên liệu trong nước cất ở nhiệt độ phòng xác định được là $84{,}21 \pm 1{,}16\text{ mg/L}$.
    • Động học hòa tan của rutin nguyên liệu phụ thuộc rõ rệt vào pH môi trường: tan tốt nhất ở pH 6,8 và tan kém nhất ở pH acid mạnh (pH 1,2).
Thời gian (phút) % hòa tan (pH 1,2) % hòa tan (pH 4,5) % hòa tan (pH 6,8) % hòa tan (Nước cất)
5 44,40 41,78 61,98 51,26
10 50,66 54,02 55,94 55,86
15 56,50 58,71 70,78 57,08
30 64,62 66,80 78,14 67,92
60 67,62 69,38 89,38 70,91
  • So sánh kỹ thuật nghiền khô và nghiền ướt: Nghiền khô chỉ đưa kích thước hạt rutin về mức vài micromet; trong khi nghiền ướt phá vỡ hiệu quả mạng tinh thể và đưa kích thước về dưới $1000\text{ nm}$ nhờ có dung môi và chất ổn định làm giảm năng lượng bề mặt. Tác giả chọn kỹ thuật nghiền ướt.
  • Khảo sát tần số nghiền ướt: Cố định 20% rutin, 5% HPMC E15, 1% NaLS trong 12,5 ml nước, nghiền trong 50 phút.
Mẫu Tần số (Hz) KTTP (nm) PDI Thế zeta (mV)
M1 20 $613{,}7 \pm 23{,}1$ $0{,}611 \pm 0{,}023$ $-45{,}1 \pm 4{,}4$
M2 25 $561{,}9 \pm 23{,}4$ $0{,}535 \pm 0{,}084$ $-51{,}6 \pm 3{,}2$
M3 30 $447{,}0 \pm 7{,}3$ $0{,}517 \pm 0{,}025$ $-47{,}6 \pm 3{,}9$
M4 35 $501{,}2 \pm 8{,}9$ $0{,}523 \pm 0{,}034$ $-49{,}3 \pm 2{,}1$

Tại 30 Hz, sự phối hợp giữa lực va đập và mài mòn đạt trạng thái tối ưu, tạo ra tiểu phân nhỏ nhất ($447{,}0\text{ nm}$) và PDI thấp nhất. Khi tăng lên 35 Hz, lực ly tâm làm các viên bi dính vào thành bình làm giảm va đập, khiến KTTP tăng lên ($501{,}2\text{ nm}$).

  • Sàng lọc chất ổn định hỗn dịch: Cố định 20% rutin, 1% NaLS, 5% chất ổn định, tần số 30 Hz, nghiền 50 phút.
Mẫu Loại chất ổn định KTTP (nm) PDI Thế zeta (mV)
M1 HPMC E6 $412{,}0 \pm 2{,}9$ $0{,}432 \pm 0{,}031$ $-51{,}3 \pm 2{,}0$
M2 HPMC E15 $447{,}0 \pm 7{,}3$ $0{,}517 \pm 0{,}025$ $-47{,}6 \pm 3{,}9$
M3 HPMC K4M $492{,}4 \pm 34{,}6$ $0{,}541 \pm 0{,}131$ $-56{,}0 \pm 4{,}1$
M4 PVP K30 $471{,}1 \pm 2{,}3$ $0{,}577 \pm 0{,}038$ $-44{,}2 \pm 3{,}6$
M5 Phosphatidylcholine $637{,}2 \pm 52{,}6$ $0{,}457 \pm 0{,}065$ $-58{,}3 \pm 6{,}7$
M6 Glycerol distearat $420{,}0 \pm 3{,}6$ $0{,}512 \pm 0{,}039$ $-42{,}3 \pm 3{,}5$
M7 NaCMC $1160{,}1 \pm 43{,}1$ $0{,}453 \pm 0{,}036$ $-55{,}4 \pm 3{,}9$

HPMC E6 cho kết quả KTTP ($412{,}0\text{ nm}$) và PDI ($0{,}432$) nhỏ nhất nhờ độ nhớt thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển động nghiền tự do của bi và bao phủ nhanh chóng các bề mặt hạt mới tạo thành.

  • Khảo sát nồng độ chất ổn định HPMC E6:
Mẫu Tỷ lệ HPMC E6 (%) Khối lượng HPMC E6 (g) KTTP (nm) PDI Thế zeta (mV)
M1 0% 0 $452{,}0 \pm 20{,}5$ $0{,}516 \pm 0{,}023$ $-46{,}3 \pm 5{,}1$
M2 1% 0,125 $410{,}7 \pm 2{,}8$ $0{,}389 \pm 0{,}042$ $-52{,}3 \pm 3{,}5$
M3 3% 0,375 $410{,}8 \pm 2{,}8$ $0{,}444 \pm 0{,}013$ $-47{,}2 \pm 7{,}1$
M4 5% 0,625 $412{,}0 \pm 2{,}9$ $0{,}432 \pm 0{,}031$ $-51{,}3 \pm 2{,}0$

Kích thước tiểu phân không có sự chênh lệch có ý nghĩa giữa nồng độ 1%, 3% và 5%. Mức 1% được lựa chọn nhằm tối thiểu hóa lượng tá dược trong công thức thuốc mà vẫn đảm bảo độ ổn định cao (thế zeta $-52{,}3\text{ mV}$) và PDI nhỏ nhất ($0{,}389$).

  • Sàng lọc chất diện hoạt: Sử dụng công thức 20% rutin, 1% HPMC E6, 1% chất diện hoạt, nghiền 50 phút ở 30 Hz.
Mẫu Chất diện hoạt KTTP (nm) PDI Thế zeta (mV)
M1 Natri Lauryl Sulfat (NaLS) $410{,}7 \pm 2{,}8$ $0{,}389 \pm 0{,}042$ $-52{,}3 \pm 3{,}5$
M2 Polyxame 407 $583{,}4 \pm 26{,}3$ $0{,}645 \pm 0{,}045$ $-47{,}3 \pm 3{,}2$
M3 Tween 80 $1130{,}8 \pm 56{,}7$ $0{,}487 \pm 0{,}042$ $-49{,}2 \pm 6{,}1$

Chất diện hoạt anion NaLS vượt trội hơn hẳn các chất diện hoạt không ion (Polyxame 407 và Tween 80), làm giảm sức căng bề mặt mạnh mẽ và tạo điện tích âm lớn giúp các tiểu phân tích điện cùng dấu đẩy nhau, ngăn chặn kết tụ hiệu quả.

  • Khảo sát thời gian nghiền: Công thức 20% rutin, 1% HPMC E6, 0,4% NaLS, tần số 30 Hz.
Thời gian (phút) KTTP (nm) PDI Thế zeta (mV)
40 $430{,}1 \pm 3{,}5$ $0{,}541 \pm 0{,}031$ $-50{,}3 \pm 3{,}1$
50 $414{,}5 \pm 4{,}5$ $0{,}450 \pm 0{,}028$ $-48{,}9 \pm 2{,}6$
60 $395{,}9 \pm 3{,}2$ $0{,}412 \pm 0{,}021$ $-51{,}4 \pm 1{,}8$
70 $406{,}0 \pm 4{,}1$ $0{,}435 \pm 0{,}034$ $-49{,}8 \pm 2{,}4$

Ở thời điểm 60 phút, KTTP đạt giá trị nhỏ nhất ($395{,}9\text{ nm}$). Kéo dài thời gian nghiền lên 70 phút khiến kích thước hạt tăng nhẹ ($406{,}0\text{ nm}$) do năng lượng cơ học truyền vào hệ quá lớn gây nóng buồng nghiền và làm tăng tần suất va chạm dẫn đến hiện tượng tái kết tụ tiểu phân.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập được các thông số kỹ thuật tối ưu cho quy trình nghiền ướt nano rutin:
    • Tần số nghiền: 30 Hz.
    • Thời gian nghiền: 60 phút.
    • Vật liệu nghiền: Hệ bi zirconium oxid ($ZrO_2$) phối hợp đa khối lượng (4 bi 25g, 10 bi 10g, 20 bi 5,5g, 33 bi 2g).
    • Hệ tá dược tối ưu: Polyme HPMC E6 tỷ lệ 1% kết hợp chất diện hoạt anion NaLS.
  • Đặc tính hóa lý của hệ phân tán nano rutin thu được:
    • Kích thước tiểu phân trung bình trong hỗn dịch đạt dưới 400 nm (tối ưu đạt $395{,}9 \pm 3{,}2\text{ nm}$).
    • Chỉ số đa phân tán PDI giảm xuống dải 0,389 - 0,412.
    • Giá trị tuyệt đối của thế zeta duy trì ở mức cao ($> 45 - 52\text{ mV}$), khẳng định hỗn dịch có tính ổn định tĩnh điện tốt, chống phân lớp và hạn chế kết vón.
    • Hỗn dịch được làm khô thành công bằng phương pháp phun sấy; bột nano rutin sau khi tái phân tán duy trì được kích thước nanomet, cải thiện vượt bậc độ tan bão hòa và tốc độ hòa tan in vitro so với rutin nguyên liệu ban đầu. Phân tích nhiệt vi sai quét (DSC) ghi nhận sự thay đổi trạng thái nhiệt/tinh thể của rutin trong phức hợp với tá dược.

Giải pháp và đề xuất của tác giả

  • Ứng dụng quy trình nghiền bi ướt phối hợp tá dược HPMC E6 và NaLS như một quy trình chuẩn hóa ở quy mô phòng thí nghiệm để điều chế tiểu phân nano cho các hoạt chất flavonoid kém tan trong nước.
  • Kết hợp kỹ thuật phun sấy để chuyển hỗn dịch lỏng thành dạng bột khô rắn, nâng cao độ bền hóa lý của dược chất trong bảo quản và tạo tiền đề thuận lợi cho việc dập viên nén hoặc đóng nang cứng.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • So với các nghiên cứu sử dụng kỹ thuật đồng nhất hóa áp suất cao (đòi hỏi áp suất rất cao từ 1500 bar với nhiều chu kỳ, thiết bị chuyên dụng đắt tiền), nghiên cứu này chứng minh kỹ thuật nghiền bi đơn giản, tiêu hao năng lượng thấp vẫn có thể đưa kích thước hạt rutin về dưới 400 nm.
  • Khắc phục nhược điểm của các nghiên cứu trước đây vốn chỉ dừng lại ở dạng hỗn dịch lỏng kém ổn định khi bảo quản dài ngày, nghiên cứu đã khảo sát việc chuyển dạng thành công sang bột khô bằng công nghệ phun sấy một bước liên tục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Toàn bộ quá trình tối ưu hóa công thức và thiết bị mới thực hiện ở quy mô mẻ nhỏ phòng thí nghiệm (lượng chất rắn 2,5 g trong 12,5 ml dung môi).
    • Chỉ số đa phân tán (PDI) của các mẫu hỗn dịch vẫn dao động trong khoảng 0,389 - 0,517 (vẫn $> 0{,}3$), cho thấy độ đồng đều về kích thước hạt chưa thật sự hẹp.
    • Chưa tiến hành thử nghiệm theo dõi độ ổn định dài hạn và độ ổn định cấp tốc của bột nano rutin theo các vùng khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) theo hướng dẫn của ASEAN/ICH.
    • Chưa thực hiện các thử nghiệm dược động học và sinh khả dụng in vivo trên động vật thực nghiệm để định lượng chính xác mức độ tăng hấp thu thực tế so với dạng nguyên liệu thô.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu mở rộng quy mô mẻ nghiền (scale-up) và khảo sát chi tiết hơn các thông số phun sấy (nhiệt độ gió vào, tốc độ bơm dịch, nồng độ chất rắn) nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu hồi bột ($K_p$).
    • Thử nghiệm kết hợp các hệ chất diện hoạt hoặc đồng chất diện hoạt khác để thu hẹp hơn nữa dải phân bố kích thước hạt (đưa PDI về $< 0{,}3$).
    • Đánh giá độ ổn định của bột nano rutin sau các khoảng thời gian bảo quản 3 tháng, 6 tháng về hàm lượng, hàm ẩm và độ biến đổi tinh thể.
    • Triển khai thử nghiệm sinh khả dụng in vivo trên chuột hoặc thỏ; nghiên cứu xây dựng công thức viên nén hoặc viên nang chứa bột nano rutin hoàn chỉnh.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên đại học, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Dược học, Công nghệ Bào chế và Hóa dược đang thực hiện đề tài về nano hóa hoạt chất tự nhiên hoặc nâng cao độ tan cho các chất thuộc nhóm BCS II và IV (kém tan, thấm tốt hoặc kém tan, kém thấm).
    • Kỹ thuật viên R&D, nhà nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và nhà máy sản xuất dược phẩm, thực phẩm chức năng định hướng ứng dụng công nghệ nghiền bi ướt và phun sấy vào sản xuất quy mô công nghiệp.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Phương pháp luận sàng lọc tá dược có hệ thống (so sánh đối đầu ảnh hưởng của nhiều loại polyme HPMC với các độ nhớt khác nhau, PVP, dẫn xuất lipid và các nhóm chất diện hoạt anion, không ion lên KTTP và thế zeta).
    • Chuỗi dữ liệu thực nghiệm chi tiết về tác động của các thông số vận hành máy nghiền bi (tần số dao động, thời gian nghiền, cấu trúc phối hợp các kích cỡ bi zirconium oxid) giúp tránh hiện tượng quá nghiền dẫn đến tái kết tụ.
    • Quy trình phân tích đo quang UV-VIS bước sóng 257 nm và phương pháp thử độ hòa tan in vitro đa môi trường (pH 1,2; pH 4,5; pH 6,8 và nước cất) cho hoạt chất rutin.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tác giả lại lựa chọn kỹ thuật nghiền ướt thay vì nghiền khô để bào chế nano rutin?

Thực nghiệm trong khóa luận cho thấy kỹ thuật nghiền khô chỉ có khả năng làm vỡ các khối hạt lớn về kích thước micromet. Kích thước micromet không đủ để gia tăng đáng kể độ tan bão hòa và tốc độ hòa tan của rutin. Ngược lại, kỹ thuật nghiền ướt với sự có mặt của môi trường lỏng chứa chất diện hoạt và polyme giúp làm giảm sức căng bề mặt, hỗ trợ bôi trơn và nhanh chóng hấp phụ lên bề mặt mới hình thành, ngăn chặn các lực hút Van der Waals và lực tĩnh điện làm hạt kết tụ lại, từ đó giảm thành công kích thước hạt xuống dưới 1000 nm.

Bước sóng hấp thụ cực đại và phương trình hồi quy tuyến tính định lượng rutin được xác định như thế nào?

Dung dịch rutin chuẩn trong dung môi methanol khi quét phổ UV-VIS ở dải bước sóng 200 - 800 nm cho đỉnh hấp thụ cực đại tại bước sóng $\lambda_{\max} = 257\text{ nm}$. Đường chuẩn được xây dựng trong khoảng nồng độ 5,03 - 20,13 mg/L cho phương trình hồi quy $y = 0{,}0377x + 0{,}0141$ với hệ số tương quan $R^2 = 0{,}9987$, đáp ứng yêu cầu định lượng thực nghiệm.

Tại sao HPMC E6 ở tỷ lệ 1% lại được chọn làm chất ổn định hỗn dịch tối ưu?

Trong 7 loại tá dược ổn định được khảo sát, HPMC E6 tạo ra hỗn dịch có kích thước tiểu phân nhỏ nhất ($412{,}0 \pm 2{,}9\text{ nm}$) và PDI thấp nhất ($0{,}432 \pm 0{,}031$). Do có độ nhớt thấp hơn so với HPMC E15, HPMC K4M hay NaCMC, HPMC E6 không làm cản trở chuyển động cơ học của bi trong buồng nghiền. Khảo sát nồng độ từ 0% đến 5% cho thấy mức 1% đã đủ để bảo vệ bề mặt tiểu phân và tạo thế zeta cao ($-52{,}3\text{ mV}$), việc tăng nồng độ lên 3% hay 5% không làm giảm thêm kích thước hạt, do đó mức 1% được chọn để tối giản tỷ lệ tá dược trong công thức.

Chất diện hoạt nào cho hiệu quả phân tán tốt nhất và kết quả KTTP đạt được là bao nhiêu?

Natri Lauryl Sulfat (NaLS) cho hiệu quả vượt trội so với Polyxame 407 và Tween 80. Khi sử dụng NaLS, kích thước tiểu phân trung bình thu được là $410{,}7 \pm 2{,}8\text{ nm}$ với PDI $0{,}389 \pm 0{,}042$, trong khi Polyxame 407 cho kích thước $583{,}4\text{ nm}$ và Tween 80 cho kích thước lên tới $1130{,}8\text{ nm}$. NaLS là chất diện hoạt anion mạnh, vừa làm giảm sức căng liên bề mặt vừa tạo lớp điện tích âm bao quanh hạt, sinh ra lực đẩy tĩnh điện mạnh mẽ giữa các tiểu phân.

Vì sao khi tăng thời gian nghiền từ 60 phút lên 70 phút, kích thước tiểu phân nano rutin lại tăng lên?

Ở mốc 60 phút, kích thước tiểu phân đạt cực tiểu ($395{,}9\text{ nm}$). Khi tiếp tục nghiền đến 70 phút, kích thước tăng lên $406{,}0\text{ nm}$. Điều này được giải thích do động học quá trình nghiền đã vượt qua ngưỡng phân rã tối hạn: năng lượng cơ học tích tụ sinh nhiệt lớn trong buồng nghiền, đồng thời diện tích bề mặt tự do của các hạt siêu mịn quá lớn làm gia tăng năng lượng bề mặt tự do, khiến các tiểu phân có xu hướng hút nhau và kết tụ trở lại tạo thành các hạt lớn hơn.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Mai Thị Thảo đã xây dựng thành công quy trình bào chế hệ tiểu phân nano rutin bằng kỹ thuật nghiền bi ướt kết hợp làm khô bằng phương pháp phun sấy ở quy mô phòng thí nghiệm. Bằng phương pháp thực nghiệm có đối chứng, đề tài đã xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu (tần số nghiền 30 Hz, thời gian 60 phút, phối hợp bi zirconium oxid) cùng hệ tá dược thích hợp (1% HPMC E6 và NaLS), tạo ra các tiểu phân nano rutin có kích thước dưới 400 nm và độ ổn định tĩnh điện cao (thế zeta $<-45\text{ mV}$). Sản phẩm bột nano rutin sau phun sấy giúp cải thiện rõ rệt độ tan và tốc độ hòa tan in vitro so với rutin nguyên liệu ban đầu. Công trình đóng góp dữ liệu thực nghiệm có giá trị khoa học và tính ứng dụng thực tiễn cao cho hướng nghiên cứu phát triển các dạng thuốc đường uống từ nguồn hoạt chất thiên nhiên kém tan.