Chương 1. Giới thiệu dendrimer 1. Khái niệm và phân loại Khái niệm dendrimer được Donald A. Tomalia và cộng sự đưa ra đầu tiên vào năm 1985 [1].
Dendrimer được bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “Dendron”, có nghĩa là nhánh cây. Từ đó đến nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về cấu trúc, tính chất, phương pháp tổng hợp và ứng dụng của dendrimer trong nhiều lĩnh vực khác nhau [3], [9], [10], [11], [12], [13]. Dendrimer là một nanopolymer có dạng hình cầu, cấu trúc nhánh, có nhiều tính chất ưu việt hơn so với polymer mạch thẳng. Cấu tạo phân tử dendrimer gồm ba phần (hình 1.
Cấu tạo phân tử Dendrimer - Một lõi (nhân hoặc core) ở trung tâm của dendrimer bao gồm (i) một nguyên tử hoặc một phân tử có ít nhất hai nhóm chức giống nhau; (ii) nhánh, phát ra từ lõi, được lặp đi lặp lại và có nhiệm vụ liên kết nhóm ngoài cùng với nhân; và (iii) nhiều nhóm bên ngoài (nhóm anion, cation, nhóm trung tính, các nhóm ưa nước hay kỵ nước) còn gọi là nhóm bề mặt hoạt động. Những nhóm bề mặt này rất quan trọng trong việc xác định các tính chất của các cao phân tử dendrimer. 6 Luận án tiến sĩ Văn hóa Các dendrimer được phân loại theo các tiêu chí sau: (a) Theo cấu trúc hình học [3], [7], [14] Theo cấu trúc hình học, dendrimer được phân chia thành các dạng sau: dendrgraft; dendron; dendrimer (hình 1. Cấu trúc phân tử của Random Hyperbranched, dendrigraft, dendron và dendrimer (b) Theo nguyên tử tạo nhánh khác nhau Theo nguyên tử tạo nhánh khác nhau thì được phân chia và gọi tên khác nhau (hình 1.3): nhánh N; nhánh aryl; nhánh C; nhánh Si; nhánh Saccharide; nhánh P; 7 Luận án tiến sĩ Văn hóa Dendrimer nhánh N Dendrimer nhánh Aryl Hình 1.
Cấu trúc phân tử của dendrimer có nguyên tử tạo nhánh khác nhau (c) Theo loại kết nối Theo loại kết nối (connectivity) sẽ phân chia và gọi tên theo các loại liên kết hóa học tại vị trí kết nối (hình 1.4): cầu nối aryl; cầu nối amide; cầu nối este; cầu nối ether; cầu nối N; cầu nối O; cầu nối Si; cầu nối urea; cầu nối alkyl; cầu nối alken; cầu nối alkyn; … (C6H13)2N CN NC CN CN CN CN NC NC CN NC CN CN CN CN CN CN (C6H13)2N N(C6H13)2 (C6H13)2N N(C6H13)2 H2N H2N NH2 NH2 H2N N N CN NH2 CN NC N N N N NC CN H2N NC CN NH2 N N CN N(C6H13)2 N(C6H13)2 CN H2N N N NH2 NC CN N CN CN N CN NC H2N N N NH2 CN H2N NH2 H2N NH2 N(C6H13)2 N(C6H13)2 N(C6H13)2 N(C6H13)2 NC NC CN CN CN NC CN NC CN CN NC NC CN NC CN CN N(C6H13)2 Hình 1. Dendrimer cầu nối N và dendrimer cầu nối aryl (d) Theo thành phần tâm khác nhau 8 Luận án tiến sĩ Văn hóa Dendrimer được phân chia theo thành phần tâm khác nhau: ví dụ tâm là NH3, ethylenediamine (EDA), butylenediamine (BDA), Aryl, … Do các tâm có kích thước khác nhau nên các phản ứng tạo ra dendrimer sẽ bị ảnh hưởng không Hình 1. Dendrimer với tâm NH3 (a) và tâm BDA (b) gian khác nhau và do tâm có độ phân cực khác nhau nên phần không gian bên trong phân tử dendrimer cũng có độ phân cực khác nhau, do đó ảnh hưởng tới khả năng nang hóa các hoạt chất có độ phân cực khác nhau (hình 1. Ví dụ từ nguyên tử X sẽ tách ra thành hai nhánh Z, từ mỗi Z sẽ tiếp tục tách ra thành hai nhánh Z ở thế hệ tiếp theo (hình 1.
Tổng hợp divergent theo mô hình tạo nhánh 1→2 9 Luận án tiến sĩ Văn hóa Mô hình tạo nhánh 1→3: Đó là mô hình từ một nhánh của thế hệ trước sẽ tạo ra ba nhánh của thế hệ sau. Ví dụ từ nguyên tử X sẽ tách ra thành ba nhánh Y, từ mỗi nhánh Y sẽ tiếp tục được tách ra thành ba nhánh Z ở thế hệ tiếp theo (hình 1. Tổng hợp divergent theo mô hình tạo nhánh 1→3 1. Tính tương hợp sinh học của dendrimer Hình 1.
Tương tác sinh học giữa tế bào với dendrimer có điện tích bề mặt khác nhau [9]. Các dendrimer đã được xem như là chất mang thông minh do chúng có khả năng mang thuốc vào nội bào, vượt qua các rào cản sinh học, lưu thông trong cơ thể trong thời gian cần thiết để gây ra một hiệu ứng lâm sàng và nhắm tới các mục tiêu cụ thể. Độc tính của dendrimer chủ yếu gây ra bởi nhóm bề mặt của nó (hình 10 Luận án tiến sĩ Văn hóa 1. Khả năng gây độc tế bào của dendrimer cation được gây ra bởi sự tương tác giữa các màng tế bào tích điện âm và bề mặt dendrimer tích điện dương, làm cho các dendrimer này bám vào và làm hỏng màng tế bào, gây giảm lượng tế bào.
Trong khi việc che các nhóm cation bề mặt hoặc chuyển đổi các nhóm bề mặt thành các nhóm trung tính hoặc anion làm cho các dendrimer có độc tính thấp hơn hoặc thậm chí là không có độc tính trong cả nghiên cứu in vitro và in vivo, điển hình như dendrimer trung tính: polyester, polyether và các dendrimer biến tính bề mặt: dendrimer glycosylate, PEGylate. Các tính chất sinh học của dendrimer phụ thuộc rất nhiều vào kích thước của dendrimer và các nhóm chức trên bề mặt của dendrimer và ít phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của dendrimer. Với các nhóm chức bề mặt, dendrimer có thể được biến tính để tạo ra các tính chất sinh học đặc biệt. Độc tính tế bào in vitro của dendrimer Dendrimer có nhiều nhóm chức bề mặt và chúng cũng tích điện khác nhau.
Dendrimer với nhóm chức amine (-NH2) tích điện dương sẽ dính với phần âm của bề mặt tế bào bởi tương tác tĩnh điện tạo thành “lỗ thủng” làm cho màng tế bào mất tác dụng ngăn cản và tế bào bị dung giải (coi như đã bị phá hủy) hoặc hình thành hiện tượng nhập bào (endocytosis): sẽ cho phép dendrimer thâm nhập qua màng tế bào (thông qua ẩm bào – pinocytosis) vào tế bào và phá vỡ tế bào từ bên trong. Dendrimer với nhóm chức không phân cực ví dụ nhân thơm hoặc dãy lipid trên bề mặt dendrimer cũng có khả năng làm cho tế bào bị dung giải. Do lúc này lipid của dendrimer sẽ tương tác ái dầu với lớp lipid của màng tế bào và gây nên sự phá hủy màng tế bào. Muốn giảm độc tính của dendrimer, cần thiết phải bao bọc (encapsulation) hoặc “tiêu diệt” (quenching) điện tích của nhóm amine bề mặt của dendrimer bằng 11 Luận án tiến sĩ Văn hóa các phản ứng alkyl hóa hoặc amit hóa các nhóm amine.
Độ độc của dendrimer phụ thuộc nhóm chức bề mặt theo trình tự sau [6]: -NH3+ > -Guanidyl+ > -SO3- > -PO3- > OH- > -COO- > PEG Bảng 1. Độc tính gây ra do điện tích bề mặt dendrimer [6] Bề mặt Bề mặt Bề mặt Bề mặt dendrimer dendrimer dendrimer dendrimer dương âm điện trung tính phân cực điện không không mang điện mang điện Độ độc in vitro - + - Kết quả độc tính in + - - - vitro: Tính thẩm thấu sinh + -/+ + - học Sinh miễn dịch + + + - 1. Độc tính tế bào in vivo của dendrimer PAMAM dendrimer có nhóm amine bề mặt hoặc dẫn xuất của chúng thế hệ G ≤ 5.0 không cho thấy dấu hiệu độc tính in vivo. Tuy nhiên, PAMAM dendrimer G7.0 có nhóm amine bề mặt gây chết 20% chuột thí nghiệm sau 24 giờ ở liều 45mg/kg.0 không được khuyến khích sử dụng trong sinh học vì độ độc cao của chúng.
Nghiên cứu in vivo với dendrimer melamine cho thấy với liều lượng 160 mg/kg sẽ làm chết 100% chuột thí nghiệm sau khi tiêm 6-12 giờ. Dendrimer trên cơ sở polysine chứa nhóm bề mặt Sulfonat hoặc Carboxylat cho thấy khả năng diệt mạnh Herpes simplex virut (HSV) và trong thử nghiệm in vivo cho thấy không độc với nồng độ sử dụng là 10 mg/mL. Dendrimer ở thế hệ chẵn (nhóm amine bề mặt) có độc tính với tế bào (in vivo) cao hơn so với dendrimer thế hệ lẻ (nhóm ester trên bề mặt) [6]. Phương pháp tổng hợp dendrimer 12 Luận án tiến sĩ Văn hóa 1.
Các phương pháp tổng hợp Dendrimer có thể tổng hợp bằng nhiều phương pháp như phương pháp “tổng hợp phân kỳ” (devergent), “tổng hợp hội tụ” (convergent), “tổng hợp tăng lũy thừa hai” (double exponential), … a. Phương pháp “tổng hợp phân kỳ” (divergent) [11], [14] Phương pháp tổng hợp dendrimer đầu tiên được biết đến là phương pháp phân kỳ. Tên gọi này xuất phát từ cách thức phát triển của dendrimer từ tâm ra bên ngoài và phân nhánh vào không gian. Bắt đầu từ một tâm phản ứng, một thế hệ được phát triển và sau đó là ngoại vi mới của phân tử được hoạt hóa để phản ứng với các monomer khác.
Qui trình trên được lặp lại cho nhiều thế hệ dendrimer khác nhau, chúng được xây dựng từ lớp này sang lớp khác (hình 1. Ưu điểm của phương pháp này là có thể tổng hợp được dendrimer ở thế hệ cao. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là thường hay xảy ra nhiều phản ứng phụ và sản phẩm sinh ra có nhiều khuyết tật. Tổng hợp các thế hệ càng cao, số lượng phản ứng càng tăng thì khiếm khuyết của dendrimer càng nhiều.
Nếu phản ứng phụ xảy ra nhiều thì điều đó gây trở ngại cho việc tinh chế sản phẩm sau cùng. Sơ đồ tổng hợp dendrimer theo phương pháp divergent b. Phương pháp “tổng hợp hội tụ” (convergent) [11], [14] Phương pháp hội tụ được phát triển như là một phản ứng tổng hợp những điểm khuyết của phương pháp phân kỳ. Quá trình tổng hợp theo phương pháp convergent bắt đầu từ những đơn vị bề mặt của dendrimer, cấu trúc bên trong dần dần liên kết với các đơn vị bề mặt.
Quá trình tổng hợp này cũng gồm hai bước: hoạt hóa và phát triển nhánh. Khi các nhánh phát triển đủ lớn, một số được gắn vào tâm để được một dendrimer hoàn chỉnh (hình 1. Việc tinh chế các sản phẩm mong muốn tương đối dễ dàng và sự xuất hiện của các khuyết tật trong cấu trúc cuối cùng cũng được giảm thiểu. Phương pháp hội tụ không cho phép hình 13 Luận án tiến sĩ Văn hóa thành thế hệ dendrimer cao vì các vấn đề về hiệu ứng không gian xảy ra trong các phản ứng của dendron và tâm phân tử.
Tổng hợp dendrimer bằng phương pháp covergent c. Phương pháp “tổng hợp tăng lũy thừa hai” (double exponential) Gần đây nhất bước đột phá trong việc tổng hợp dendrimer là phương pháp tăng trưởng theo cấp số nhân (hình 1. Trong thực tế, tăng trưởng theo cấp số nhân là quá nhanh, nó có thể được lặp đi lặp lại có lẽ chỉ có hai hoặc ba lần trước khi tiếp tục tăng trưởng.