Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật liệu nano có cấu trúc lỗ xốp thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu khoa học nhờ không gian trống bên trong rộng, tạo ra các đặc tính bề mặt và khả năng ứng dụng trong y học, hóa học xúc tác và phân phối thuốc. Trong nhóm vật liệu xốp rỗng, silic hữu cơ siêu xốp cấu trúc tuần hoàn (Periodic mesoporous organosilica - PMO) là hệ vật liệu lai hữu cơ - vô cơ sở hữu khung cấu trúc độc đáo, nơi các nhóm chức hữu cơ được phân bố đồng nhất hoặc liên kết cộng hóa trị trên thành lỗ xốp ở cấp độ phân tử. Nhờ đó, PMO có thể điều chỉnh linh hoạt tính chất ưa/kỵ nước, hình thái, độ xốp và độ bền cơ học so với silica vô cơ truyền thống.

Trong lĩnh vực y sinh dược, PMO đóng vai trò quan trọng trong việc cố định enzym, làm chất xúc tác sinh học, làm phương tiện mang phân phối thuốc có kiểm soát, cũng như phân tách và làm giàu các phân tử sinh học (như peptide, protein kích thước nhỏ). Trên thế giới, việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng PMO đã được tiến hành ở nhiều trung tâm nghiên cứu; tuy nhiên tại Việt Nam, ở thời điểm thực hiện đề tài, chưa có công trình nào công bố về quy trình tổng hợp các loại vật liệu silic hữu cơ siêu xốp rỗng cũng như định hướng ứng dụng chúng trong y sinh dược.

Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo và khảo sát tính chất tương tác sinh học ban đầu của vật liệu, đề tài "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu silic hữu cơ siêu xốp kích thước micro/nano định hướng ứng dụng trong y sinh dược" đặt ra 2 nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu silic hữu cơ siêu xốp rỗng kích thước micromet và nanomet.
  2. Khảo sát khả năng tương tác của albumin huyết thanh bò (Bovine serum albumin - BSA) lên các vật liệu đã tổng hợp.

Nghiên cứu được thực hiện đối với các hệ vật liệu PMO trung tính và PMO chức năng hóa nhóm amin (-NH2) ở hai dải kích thước hạt nano và micro; đối tượng khảo sát tương tác là protein mô hình BSA. Khóa luận được hoàn thành vào tháng 06/2022 tại Trường Đại học Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội, có sự phối hợp thực hiện và phân tích mẫu tại Trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN), Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Khoa Hóa học (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội), trong khuôn khổ hỗ trợ của đề tài nghiên cứu mã số NĐT.69/CHN/19.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Vật liệu PMO được định nghĩa là vật liệu silica lai hữu cơ - vô cơ có cấu trúc lỗ rỗng tuần hoàn kích thước mesopore (từ 2 đến 50 nm theo phân loại của IUPAC), diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc khung silsesquioxane liên kết qua các cầu nối hữu cơ. Quá trình chế tạo PMO dựa trên phương pháp sol-gel kết hợp khuôn chất hoạt động bề mặt (chất định hướng cấu trúc). Trong môi trường phản ứng, tiền chất organosilane trải qua phản ứng thủy phân và ngưng tụ quanh các cấu trúc mixen hình thành từ chất hoạt động bề mặt, tạo mạng lưới không gian ba chiều; sau đó chất tạo khuôn được loại bỏ để giải phóng hệ thống mao quản rỗng.

Nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu và hóa chất chính gồm:

  • Tiền chất silic hữu cơ: 1,2-Bis(triethoxysilyl)ethane (BTEE) dùng cho tổng hợp nanoPMO; 1,2-Bis(trimethoxysilyl)ethane (BTME) dùng cho tổng hợp microPMO.
  • Tác nhân biến tính nhóm amin: (3-Aminopropyl)triethoxysilane (APTES).
  • Chất hoạt động bề mặt định hướng cấu trúc: Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB).
  • Môi trường phản ứng và tinh sạch: Dung dịch amoniac (NH3) 20%, Natri hydroxit (NaOH), Ethanol (EtOH) 96%, Acid clohydric (HCl) 37%, nước cất và nước khử ion.
  • Dung dịch đệm và protein: Đệm Phosphate buffer solution (PBS) 1x (pH = 6,82) và Bovine serum albumin (BSA).

Phương pháp thực nghiệm được triển khai theo quy trình cải tiến từ công bố của Qian (2012) với điểm điều chỉnh trọng tâm là rút ngắn thời gian tinh sạch loại bỏ chất tạo khuôn CTAB:

  • Tổng hợp nanoPMO trung tính (NPT): Hòa tan 0,4 g CTAB trong 100 ml dung dịch NH3 20% ở 40°C, bổ sung từ từ 0,667 ml BTEE, giữ phản ứng trong 3 giờ. Thu kết tủa, rửa trung tính và sấy khô. Tinh sạch loại bỏ CTAB bằng cách đun hồi lưu với 40 ml EtOH 96% và 2,25 ml HCl 37% trong 8 giờ (giảm từ 16 giờ xuống 8 giờ).
  • Tổng hợp nanoPMO amin (NPA1, NPA2, NPA3): Bổ sung 0,667 ml APTES vào hỗn hợp phản ứng tại các mốc thời gian khác nhau: cùng lúc với BTEE (mẫu NPA1), sau 1 giờ (mẫu NPA2) và sau 2 giờ (mẫu NPA3), phản ứng duy trì tổng cộng 3 giờ ở 40°C, sau đó tinh sạch hồi lưu 8 giờ trong hỗn hợp EtOH/HCl.
  • Tổng hợp microPMO trung tính (MPT1, MPT2, MPT3): Hòa tan 0,43 g CTAB và 0,2 g NaOH trong 100 ml nước cất ở 25°C, thêm 0,5 ml BTME, khuấy từ 120 vòng/phút trong 24 giờ. Sau đó ủ nhiệt tĩnh ở 95°C trong 8 giờ và giữ ở 25°C trong 15 giờ. Chu trình ủ nhiệt này được lặp lại 1 lần (MPT1), 2 lần (MPT2) hoặc 3 lần (MPT3 - tương đương 24 giờ ở 95°C). Tinh sạch hồi lưu trong 8 giờ.
  • Tổng hợp microPMO amin (MPA3): Hòa tan 0,43 g CTAB, 0,2 g NaOH trong 100 ml nước cất, thêm đồng thời 0,5 ml BTME và 0,5 ml APTES, khuấy 120 vòng/phút trong 24 giờ ở 25°C, sau đó lặp lại chu trình nhiệt 95°C (8 giờ) và 25°C (15 giờ) trong 3 lần, tinh sạch hồi lưu 8 giờ.

Các phương pháp phân tích đặc trưng lý hóa gồm:

  • Kính hiển vi điện tử phát xạ trường (FESEM): Thực hiện trên thiết bị Hitachi S4800 (Viện Khoa học vật liệu) nhằm xác định hình thái học, cấu trúc bề mặt và kích thước hạt.
  • Hấp phụ - khử hấp phụ khí N2 (Mô hình BET): Đo trên thiết bị Micromeritics 3Flex phiên bản 3.02 tại nhiệt độ nitơ lỏng (77,4 K) để xác định diện tích bề mặt riêng, kích thước lỗ xốp và tổng thể tích lỗ rỗng.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Phân tích trên máy IR Prestige-21 (Shimadzu) trong dải sóng 4000 - 400 cm⁻¹ để kiểm tra sự biến mất của chất tạo khuôn CTAB và sự hình thành liên kết Si-C, Si-O-Si cùng nhóm chức -NH2.
  • Đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Thực hiện trên máy Nanodrop ND 8000 (Thermo Scientific) tại bước sóng 280 nm để xây dựng đường chuẩn và định lượng nồng độ BSA trong các thử nghiệm hấp phụ. Khối lượng BSA bị hấp phụ ($q_t$, đơn vị mg/g) được tính toán theo công thức:

$$q_t = \frac{(C_0 - C_t) \times V}{W}$$

Trong đó $C_0$ là nồng độ ban đầu của BSA (mg/ml), $C_t$ là nồng độ BSA tại thời điểm $t$ (mg/ml), $V$ là thể tích dung dịch (ml) và $W$ là khối lượng chất hấp phụ PMO (g).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 - Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu silica siêu xốp và silic hữu cơ siêu xốp rỗng cấu trúc tuần hoàn (PMO). Tác giả trình bày các khái niệm nền tảng về công nghệ nano, phân loại kích thước lỗ xốp theo quy chuẩn IUPAC (micropore < 2 nm, mesopore 2-50 nm, macropore > 50 nm). Nội dung đi sâu phân tích cơ chế hóa học của phản ứng sol-gel: phản ứng thủy phân các nhóm alkoxy (-OR) gắn trên nguyên tử Si và phản ứng ngưng tụ tạo cầu nối siloxan (Si-O-Si) hình thành khung silsesquioxane ($O_{1,5}Si-R-SiO_{1,5}$). Cơ chế tạo khuôn phụ thuộc nồng độ chất hoạt động bề mặt (CTAB) trên nồng độ micelle tới hạn (CMC) được giải thích chi tiết qua sự chuyển biến hình thái mixen từ dạng cầu, dạng que sang dạng lục giác.

Phần ứng dụng y sinh tập trung phân tích 4 hướng chính: làm chất xúc tác sinh học, làm phương tiện phân phối thuốc có kiểm soát, cố định và làm giàu phân tử sinh học. Tác giả so sánh 3 phương pháp cố định protein: liên kết cộng hóa trị, vi bao/nhốt giữ trong mạng gel và hấp phụ vật lý/thuận nghịch. Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hấp phụ protein lên PMO gồm: kích thước hạt, hình thái học, diện tích bề mặt riêng, đường kính lỗ xốp, độ pH môi trường và điểm đẳng điện (pI) của protein.

Chương 2 – Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả toàn bộ danh mục hóa chất, nhà sản xuất (Merck, Bio Basic, Alfa Aesar - Johnson Matthey, Xilong) và trang thiết bị nghiên cứu. Tác giả trình bày chi tiết các sơ đồ khối quy trình thực nghiệm: quy trình điều chế nanoPMO trung tính, nanoPMO amin, microPMO trung tính và microPMO amin. Các thông số nhiệt độ, tỷ lệ thể tích dung môi, tốc độ khuấy từ (120 vòng/phút) và quy trình rửa lọc gạn đều được chuẩn hóa.

Quy trình tinh sạch chiết xuất CTAB bằng hỗn hợp cồn/acid clohydric được trình bày cụ thể với thời gian đun hồi lưu 8 giờ. Tiếp đó, chương này nêu chi tiết nguyên lý tạo ảnh của FESEM Hitachi S4800, cơ chế đo BET trên thiết bị 3Flex, nguyên lý dao động phân tử trong quang phổ FTIR IR Prestige-21, và nguyên lý đo thể tích siêu nhỏ (1 µl) của máy quang phổ Nanodrop ND 8000. Cuối chương là thiết kế thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ BSA của 4 mẫu vật liệu đại diện (NPT, NPA1, MPT3, MPA3) theo thời gian (10, 15, 20, 30, 45, 60 phút ở nồng độ 5 mg/ml) và theo nồng độ BSA ban đầu (0,5; 2,5; 5; 10 mg/ml trong thời gian 20 phút) trong đệm PBS 1x (pH = 6,82).

Chương 3 – Kết quả

Chương 3 công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình tổng hợp và phân tích tính chất của 8 mẫu vật liệu (NPT, NPA1, NPA2, NPA3, MPT1, MPT2, MPT3, MPA3):

Mẫu vật liệu Nguyên liệu ban đầu Khối lượng thu được (mg) Hình thái FESEM Kích thước hạt
NPT 0,667 ml BTEE 280 Hình lục giác 200 - 500 nm
NPA1 0,667 ml BTEE + 0,667 ml APTES (tại 0h) 320 Hình cầu đồng đều 200 - 400 nm
NPA2 0,667 ml BTEE + 0,667 ml APTES (tại 1h) 300 Lục giác gần cầu 400 - 500 nm
NPA3 0,667 ml BTEE + 0,667 ml APTES (tại 2h) 300 Lục giác gần cầu 400 - 500 nm
MPT1 0,5 ml BTME (ủ 95°C trong 8h) 181 Hình cầu không đều Khởi tạo, số lượng ít
MPT2 0,5 ml BTME (ủ 95°C trong 16h) 171 Hình cầu Lớn hơn MPT1
MPT3 0,5 ml BTME (ủ 95°C trong 24h) 275 Hình cầu đồng đều 2 - 4 µm
MPA3 0,5 ml BTME + 0,5 ml APTES (ủ 24h) 258 Đa diện không đều 200 nm - 1 µm

Phổ FTIR xác nhận toàn bộ 8 mẫu đều không còn tín hiệu đặc trưng của CTAB tại các số sóng 1470, 1402, 1626, 2850 và 2918 cm⁻¹, chứng minh quá trình tinh sạch 8 giờ đã loại bỏ hoàn toàn chất tạo khuôn. Phổ ghi nhận các đỉnh dao động Si-$CH_2$ (1412 và 1270 cm⁻¹), Si-OH (910 cm⁻¹), Si-O-Si (444, 1033-1044 và 1095 cm⁻¹). Đỉnh 1516 cm⁻¹ đặc trưng cho dao động uốn của nhóm chức -$NH_2$ (từ APTES) xuất hiện rõ ở các mẫu biến tính amin (NPA1, NPA2, NPA3, MPA3) và hoàn toàn vắng mặt ở các mẫu trung tính (NPT, MPT1, MPT2, MPT3). Trong các mẫu nano, cường độ đỉnh 1516 cm⁻¹ tăng dần từ NPA3, NPA2 đến NPA1, tương ứng với thời gian thủy phân APTES tăng từ 1 giờ, 2 giờ lên 3 giờ.

Kết quả đo hấp phụ khí nitơ (BET) thể hiện các thông số cấu trúc lỗ xốp:

Mẫu vật liệu Diện tích bề mặt riêng ($m^2/g$) Thể tích lỗ rỗng ($cm^3/g$) Kích thước lỗ xốp (nm)
NPT 1423 1,055 2,97
NPA1 872 0,580 2,42
NPA2 602 0,365 2,43
NPA3 1002 0,644 2,46
MPT1 802 0,755 3,80
MPT2 739 0,783 4,20
MPT3 844 0,960 4,60
MPA3 769 0,979 5,10

(Ghi chú: Đơn vị thể tích lỗ trong văn bản gốc in là $m^3/g$, theo quy chuẩn thực nghiệm phân tích BET tương ứng là $cm^3/g$).

Về khảo sát tương tác với BSA, đường chuẩn đo quang Nanodrop tại bước sóng 280 nm được thiết lập với 5 điểm nồng độ (0; 0,5; 2,5; 5; 10 mg/ml), cho phương trình hồi quy tuyến tính:

$$y = 0,6296x - 0,0232 \quad (R^2 = 0,9999)$$

Thử nghiệm động học hấp phụ theo thời gian cho thấy lượng BSA hấp phụ tăng mạnh trong 5-10 phút đầu, đạt trạng thái bão hòa sau 15-20 phút ở cả 4 mẫu (NPT, NPA1, MPT3, MPA3). Mẫu PMO amin có dung lượng hấp phụ vượt trội so với PMO trung tính (NPA1 > NPT; MPA3 > MPT3). Ở cùng loại chức năng bề mặt, hạt nano hấp phụ mạnh hơn hạt micro (NPA1 > MPA3; NPT > MPT3). Thử nghiệm theo nồng độ ban đầu cho thấy dung lượng hấp phụ tăng tỷ lệ thuận với nồng độ BSA từ 0,5 đến 10 mg/ml, trong đó NPA1 thể hiện khả năng hấp phụ cao nhất ở mọi dải nồng độ.

Chương 4 – Bàn luận

Chương 4 tập trung giải thích các kết quả thực nghiệm và so sánh đối chiếu với các công bố quốc tế. Tác giả lập luận rằng việc giảm thời gian tinh sạch từ 16 giờ xuống 8 giờ vẫn đảm bảo độ sạch hoàn toàn của sản phẩm (thể hiện qua phổ FTIR), giúp tiết kiệm thời gian và hóa chất. Đối với nanoPMO amin, việc bổ sung APTES đồng thời với BTEE ngay từ đầu (mẫu NPA1) cho hiệu quả đồng ngưng tụ tối ưu nhất, tạo mật độ nhóm -$NH_2$ cao nhất và hạt có dạng cầu đồng đều (200-400 nm). Đối với microPMO trung tính, thời gian ủ nhiệt tĩnh 24 giờ ở 95°C (MPT3) là điều kiện bắt buộc để mạng silsesquioxane phát triển hoàn chỉnh thành dạng hình cầu kích thước 2-4 µm. Riêng mẫu MPA3 có dạng đa diện chưa đồng nhất do quá trình đồng ngưng tụ giữa BTME và APTES trong điều kiện kiềm của hệ vi mô diễn ra phức tạp, cần tiếp tục tối ưu hóa.

Khi so sánh với công trình của Qian (2012) và Zhu (2014), nghiên cứu này đạt được các chỉ số cấu trúc cao hơn: mẫu NPT có diện tích bề mặt $1423\ m^2/g$ (so với $976\ m^2/g$ của mẫu PMON trong nghiên cứu của Qian); mẫu MPT3 đạt $844\ m^2/g$ (so với $612\ m^2/g$ của PMOM). So với nghiên cứu của Zhu dùng chất tạo khuôn P123 tạo hạt hình que, nghiên cứu này sử dụng CTAB tạo hạt hình cầu và lục giác.

Về cơ chế hấp phụ BSA: Kích thước phân tử BSA là $4\ nm \times 4\ nm \times 14\ nm$ (khối lượng phân tử 66.400 Da), lớn hơn kích thước lỗ xốp của các vật liệu nanoPMO (2,42 - 2,97 nm) và tương đương hoặc lớn hơn lỗ xốp microPMO (4,6 - 5,1 nm). Do đó, BSA không thể khuếch tán vào sâu bên trong mao quản mà chủ yếu hấp phụ trên bề mặt ngoài của hạt theo cơ chế không đặc hiệu. Trong dung dịch đệm PBS pH = 6,82, do điểm đẳng điện của BSA là $pI = 4,7$ nên protein tích điện âm (điện tích thực ở pH 7 là -18 mV). Vật liệu PMO amin tích điện dương do chứa nhóm proton hóa $-NH_3^+$, tạo ra lực hút tĩnh điện mạnh mẽ, dẫn đến dung lượng hấp phụ của NPA1 và MPA3 cao hơn hẳn các mẫu trung tính NPT và MPT3. Ngoài ra, nanoPMO có diện tích bề mặt riêng lớn hơn microPMO nên diện tích tiếp xúc ngoài cao hơn, dẫn đến khả năng bắt giữ BSA lớn hơn. Đáng chú ý, hệ vật liệu này đạt trạng thái cân bằng hấp phụ chỉ sau 20 phút, nhanh hơn rất nhiều so với nghiên cứu của Qian (12 giờ) và Zhu (3 giờ).

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thực hiện trọn vẹn quy trình thực nghiệm từ tổng hợp, biến tính bề mặt, phân tích cấu trúc đến thử nghiệm tương tác sinh học, thu được các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Đã tổng hợp thành công 8 mẫu vật liệu PMO gồm cả dạng trung tính và dạng chức năng hóa amin ở hai cấp kích thước nano và micro.
  2. Tối ưu hóa quy trình công nghệ: Rút ngắn 50% thời gian đun hồi lưu tinh sạch loại bỏ khuôn CTAB (từ 16 giờ theo quy trình gốc của Qian xuống còn 8 giờ) nhưng vẫn đảm bảo loại sạch hoàn toàn chất tạo khuôn trên phổ FTIR.
  3. Xác định điều kiện tối ưu cho từng loại vật liệu:
    • NanoPMO amin tối ưu là mẫu NPA1 (bổ sung APTES ngay từ đầu, thủy phân 3 giờ), hạt hình cầu đồng đều 200-400 nm, diện tích bề mặt $872\ m^2/g$, kích thước lỗ xốp 2,42 nm.
    • NanoPMO trung tính tối ưu là NPT, cấu trúc lục giác 200-500 nm, diện tích bề mặt đạt mức cao $1423\ m^2/g$, thể tích lỗ $1,055\ cm^3/g$.
    • MicroPMO trung tính tối ưu là MPT3 (ủ nhiệt 95°C trong 24 giờ), hạt hình cầu đồng đều đường kính 2-4 µm, diện tích bề mặt $844\ m^2/g$, kích thước lỗ xốp 4,6 nm.

Bảng so sánh thông số đặc trưng giữa nghiên cứu này với các công bố quốc tế được tác giả dẫn chứng:

Nghiên cứu Tên mẫu Chất tạo khuôn Hình thái hạt Kích thước hạt (nm) Diện tích bề mặt ($m^2/g$) Kích thước lỗ (nm) Thời gian cân bằng hấp phụ BSA
Qian (2012) PMON CTAB Hình cầu 200 - 750 976 2,8 12 giờ
PMOM CTAB Hình cầu 2000 - 5000 612 3,1 12 giờ
Zhu (2014) PMOT P123 Hình que $1500 \times (100-200)$ 710 5,7 3 giờ
PMO-NH2 P123 Hình que $1500 \times (100-200)$ 677 5,5 3 giờ
Khóa luận NPT CTAB Hình lục giác 200 - 500 1423 2,97 20 phút
NPA1 CTAB Hình cầu 200 - 400 872 2,42 20 phút
MPT3 CTAB Hình cầu 2000 - 4000 844 4,60 20 phút
MPA3 CTAB Đa diện 200 - 1000 769 5,10 20 phút

Đóng góp của khóa luận nằm ở việc bước đầu làm chủ kỹ thuật tổng hợp vật liệu lai PMO tại Việt Nam, cải tiến giảm thời gian chế tạo và chứng minh được cơ chế tương tác tĩnh điện chi phối quá trình hấp phụ protein bề mặt với tốc độ đạt cân bằng nhanh (20 phút). Kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu PMO trong việc loại trừ protein kích thước lớn để làm giàu các peptide/biomarker kích thước nhỏ trong phân tích y sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự chỉ ra các hạn chế thực nghiệm còn tồn tại:

  • Nghiên cứu mới chỉ tập trung khảo sát và tối ưu hóa yếu tố thời gian phản ứng và thời gian tinh sạch, chưa thực hiện tối ưu hóa toàn diện các thông số công nghệ khác như tỷ lệ nồng độ mol giữa các chất phản ứng, nồng độ chất xúc tác hay tốc độ khuấy.
  • Mẫu microPMO amin (MPA3) tổng hợp được có hình thái học dạng đa diện, kích thước dao động rộng (từ 200 nm đến 1 µm), chưa đạt độ đồng đều cao như mẫu microPMO trung tính.
  • Về mặt ứng dụng sinh học, đề tài mới dừng lại ở bước khảo sát tương tác trên một loại protein mô hình duy nhất là Bovine serum albumin (BSA), chưa thử nghiệm trực tiếp trên các peptide kích thước nhỏ hoặc các mẫu bệnh phẩm sinh học thực tế mang các dấu chỉ sinh học (biomarker) bệnh lý.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất gồm:

  • Tiếp tục tối ưu hóa quy trình tổng hợp microPMO mang nhóm amin nhằm thu được hạt có hình thái cầu đồng đều và dải phân bố kích thước hẹp.
  • Mở rộng thử nghiệm khả năng hấp phụ và phân tách chọn lọc trên các hệ hỗn hợp peptide/protein và các biomarker thực tế, hướng tới mục tiêu phục vụ chẩn đoán bệnh võng mạc đái tháo đường theo định hướng của đề tài NĐT.69/CHN/19.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Dược học, Hóa dược, Công nghệ nano y sinh, Khoa học vật liệu và Hóa phân tích.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình chi tiết điều chế vật liệu PMO kích thước nano và micro bằng phương pháp sol-gel, đặc biệt là kỹ thuật biến tính bề mặt trực tiếp (co-condensation) bằng APTES để gắn nhóm chức amin.
  • Phương pháp rút ngắn thời gian chiết tách loại bỏ chất hoạt động bề mặt CTAB bằng hệ dung môi cồn/acid trong 8 giờ.
  • Bộ thông số đối chiếu thực nghiệm toàn diện về phổ hồng ngoại FTIR, ảnh FESEM và đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ BET của hệ vật liệu PMO.
  • Quy trình định lượng protein bằng quang phổ thể tích vi lượng trên máy Nanodrop ND 8000 không cần cuvet, cùng mô hình đánh giá động học hấp phụ protein trên chất mang rắn dạng bột.

Câu hỏi thường gặp

1. Chất định hướng cấu trúc (tạo khuôn) được sử dụng trong khóa luận là gì và được loại bỏ bằng cách nào?
Chất tạo khuôn được sử dụng là Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) - một chất hoạt động bề mặt cation. CTAB được loại bỏ khỏi cấu trúc xốp của vật liệu bằng phương pháp đun hồi lưu bột sản phẩm với hỗn hợp 40 ml ethanol 96% và 2,25 ml HCl 37% trong thời gian 8 giờ (giảm một nửa thời gian so với quy trình gốc 16 giờ của Qian). Phổ FTIR xác nhận các đỉnh dao động đặc trưng của CTAB tại 1470, 1402, 1626, 2850 và 2918 cm⁻¹ đều biến mất hoàn toàn sau xử lý.

2. Tiền chất silic hữu cơ dùng để tổng hợp nanoPMO và microPMO có điểm gì khác nhau?
Để tổng hợp nanoPMO, tác giả sử dụng tiền chất 1,2-Bis(triethoxysilyl)ethane (BTEE) trong môi trường dung dịch amoniac 20% ở 40°C. Trong khi đó, để tổng hợp microPMO, tác giả sử dụng tiền chất 1,2-Bis(trimethoxysilyl)ethane (BTME) trong môi trường dung dịch NaOH ở nhiệt độ phòng kết hợp xử lý nhiệt tĩnh ở 95°C. Cả hai hệ đều dùng APTES làm tác nhân mang nhóm chức amin.

3. Mẫu nanoPMO nào có khả năng gắn nhóm amin tốt nhất và điều kiện tổng hợp là gì?
Mẫu nanoPMO amin tối ưu nhất là NPA1. Mẫu này được tổng hợp bằng cách bổ sung 0,667 ml APTES vào hỗn hợp phản ứng ngay từ đầu cùng lúc với BTEE (thay vì bổ sung sau 1 giờ như NPA2 hay sau 2 giờ như NPA3), cho thời gian APTES thủy phân đạt 3 giờ. Mẫu NPA1 thể hiện cường độ đỉnh hấp thụ của liên kết -$NH_2$ tại số sóng 1516 cm⁻¹ trên phổ FTIR cao nhất, hạt có dạng hình cầu đồng đều kích thước 200-400 nm và diện tích bề mặt riêng đạt $872\ m^2/g$.

4. Tại sao vật liệu PMO mang nhóm amin lại hấp phụ protein BSA mạnh hơn vật liệu PMO trung tính?
Thử nghiệm hấp phụ được tiến hành trong đệm PBS 1x có pH = 6,82. Do protein BSA có điểm đẳng điện $pI = 4,7$ nên trong môi trường pH này, BSA mang điện tích âm (điện tích thực khoảng -18 mV). Vật liệu PMO amin (NPA1, MPA3) chứa nhóm chức -$NH_2$ bị proton hóa thành -$NH_3^+$, mang điện tích dương. Tương tác hút tĩnh điện giữa các điện tích trái dấu làm tăng cường đáng kể lượng BSA bám dính lên bề mặt PMO amin so với PMO trung tính (NPT, MPT3).

5. Vì sao BSA chủ yếu hấp phụ trên bề mặt ngoài của hạt PMO mà không đi vào bên trong lỗ xốp?
Phân tử BSA có kích thước hình học khoảng $4\ nm \times 4\ nm \times 14\ nm$, trong khi kích thước lỗ xốp của các vật liệu nanoPMO tổng hợp được chỉ dao động từ 2,42 đến 2,97 nm, và microPMO dao động từ 4,6 đến 5,1 nm. Do kích thước phân tử BSA lớn hơn kích thước mao quản, protein không thể khuếch tán vào trong lòng ống xốp mà chỉ xảy ra hiện tượng hấp phụ không đặc hiệu trên bề mặt ngoài của hạt vật liệu.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Lê Thị Trà Giang đã tổng hợp thành công các hệ vật liệu silic hữu cơ siêu xốp rỗng (PMO) trung tính và chức năng hóa amin ở quy mô nanomet và micromet bằng phương pháp sol-gel sử dụng chất tạo khuôn CTAB. Tác giả đã tối ưu hóa thành công quy trình tinh sạch khi rút ngắn thời gian chiết tách khuôn xuống 8 giờ và xác định được các điều kiện công nghệ tạo hạt hình cầu đồng đều với diện tích bề mặt riêng lên tới $1423\ m^2/g$. Thử nghiệm tương tác với albumin huyết thanh bò khẳng định vai trò quyết định của lực hút tĩnh điện và diện tích bề mặt ngoài đối với dung lượng hấp phụ protein, đặt nền móng thực nghiệm ban đầu cho việc ứng dụng vật liệu PMO trong phân tách và làm giàu các dấu chỉ sinh học y dược tại Việt Nam.