CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Vật liệu nano silica 1. Giới thiệu tổng quát Trong những năm gần đây, các nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực y sinh mang lại nhiều triển vọng to lớn thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các nghiên cứu xoay quanh vấn đề ứng dụng công nghệ nano trong lĩnh vực y học tạo ra vật liệu dẫn truyền thuốc hoặc kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh.
Trong tất cả các vật liệu nano, hạt nano silica xốp nổi trội với nhiều tính chất độc đáo và mang lại nhiều nghiên cứu hứa hẹn trong tương lai không xa [3]. Silica tồn tại rất nhiều trong điều kiện tự nhiên dưới dạng các hợp chất có chứa oxy (SiO2 còn gọi là silicon dioxide). Đến nay, chúng ta vẫn chưa có phát hiện về sự tồn tại riêng lẻ của silic. Các hợp chất của silica chiếm khoảng 78% lớp vỏ trái đất như thạch anh, đá lửa, opal, silica… [4, 5].
Silica có tầm ứng dụng rộng rãi, nó là chất độn được thêm vào nhằm làm tăng trọng lượng, tăng độ cứng, tạo độ trong suốt của sơn. Ngoài ra, silica còn có tác dụng cải thiện độ bền va đập của vật liệu, tăng khả năng phân tán, tăng độ bóng láng của sản phẩm kim loại, dễ gia công và góp phần làm giảm giá thành sản phẩm [6]. Trong vật liệu nano silica có hai nhóm vật liệu được sử dụng nhiều nhất với mục đích mang và phân phối thuốc là silica xerogels và porous nanosilicas (PNS) hay còn gọi là nano silica xốp. Silica xerogel sở hữu cấu trúc vô định hình còn nano silica xốp có hình dạng ổn định và diện tích bề mặt lớn so với nhiều loại vật liệu nano khác.
Để tạo ra nano silica xốp ta dùng phương pháp sol-gel. Trong quá trình tổng hợp các điều kiện tổng hợp sẽ quyết định hình dạng và kích thước hạt vật liệu như tỷ lệ thuốc thử, nhiệt độ, nồng độ chất xúc tác và áp suất sấy [7]. Trước kia, silica xerogel được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực y học và mang thuốc, các loại thuốc đã được mang bởi loại vật liệu này có thể kể đến như phenytoin, doxorubicin, cisplatin, metronidazole, nifedipine, diclofenac và heparin [7]. Tuy nhiên độ tương thích sinh học của vật liệu không quá cao, cùng với đó vật liệu vẫn mang độc tính khi đưa vào cơ thể người, đây chính là lý do khiến vật liệu này đang bị hạn chế sử dụng và dần bị thay thế bởi vật liệu nano silica xốp (PNS).
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 Vật liệu PNS là một dạng silica trung tính được phát triển gần đây trong công nghệ nano [8, 9]. Đây là một vật liệu điển hình của vật liệu nanogel có cấu trúc dạng xốp độc đáo nên có thể vẫn giữ được mức độ ổn định hóa học, có chức năng bề mặt và tính tương thích sinh học tốt, đảm bảo khả năng mang và giải phóng thuốc đúng như mong muốn hoặc có sai số thấp nhất có thể. Thêm một lý do khiến nano silica xốp (PNS) được ưa chuộng và sử dụng rộng rải là chúng có sẵn rất nhiều trong thiên nhiên nên dễ dàng tìm kiếm, tổng hợp và thân thiện hơn với con người. Khả năng tương thích sinh học của nano silica xốp (PNS) cao hơn nhiều so với nano vàng hay nano sắt từ.
Ngoài ra PNS được nghiên cứu rộng rãi do vật liệu này có thể dễ dàng thay đổi cấu trúc, dạng lỗ xốp và kích thước lỗ xốp tùy thuộc vào mục đích muốn mang loại thuốc nào. Một ưu điểm đặc biệt khác của PNS là các đặc tính bề mặt của vật liệu có thể dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thông thường, cho phép dễ dàng thực hiện chức năng của bề mặt chứa silanol để kiểm soát việc mang và giải phóng thuốc. Khi so sánh PNS với silica xerogel thì PNS cho thấy có cấu trúc đồng nhất hơn, diện tích bề mặt cao hơn để hấp phụ các phân tử thuốc cho quá trình điều trị hoặc các thiết bị phục vụ cho quá trình chẩn đoán [10]. Không chỉ có cấu trúc phù hợp cho việc mang và phân phối thuốc mà nano silica xốp còn an toàn không hề có tác dụng phụ gây độc tế bào, điều này đã mở ra cơ hội sử dụng và phát triển vật liệu này trong lĩnh vực y học đặc biệt là phân phối thuốc hoặc gen [11].
Với những đặc tính vượt trội như vậy thì PNS hứa hẹn sẽ là vật liệu có tiềm năng lớn nhất trong việc phát triển hệ thống phân phối thuốc bằng hạt nano. Vật liệu nano silica xốp Vật liệu nano silica xốp (porous nanosilica - PNS) không giống những vật liệu silica thông thường có trong tự nhiên dù có thành phần chính là SiO2, các vật liệu silica lỗ xốp chỉ có thể hình thành bằng cách tổng hợp nhân tạo và sản phẩm sẽ có độ đồng đều rất cao. Vật liệu đang được nghiên cứu và phát triển ở trạng thái rắn (bột), mịn, có cấu trúc lỗ xốp dạng tổ ong và vì vậy vật liệu có khả năng hấp phụ tốt các nguyên tử/phân tử khác, thuận lợi cho việc làm chất mang. Để tạo các lỗ xốp cho vật liệu thông thường người ta sẽ sử dụng các chất hoạt dộng bề mặt để định hình về hình dạng và kích thước lỗ xốp.
Ngoài ra những yếu tố quan trọng khác sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả sản phẩm đó là thời gian phản ứng, nhiệt độ, nồng độ các chất, xúc tác, phương pháp thực hiện và môi trường thực hiện phản ứng. Vật liệu nano LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 silica xốp đang được quan tâm và thường được chọn làm vật liệu phân phối thuốc vì hoạt tính sinh học của nó tương đối cao và hứa hẹn có thể cải thiện trong tương lai, thêm vào đó nano silica xốp (PNS) còn có khả năng chống thấm rất tốt giúp bảo quản và lưu trữ thuốc tốt hơn. Ưu điểm chính của vật liệu là tính ổn định cao, số lượng lỗ xốp có thể tạo ra nhiều, diện tích bề mặt lớn và có thể tiến hành tổng hợp ở quy mô lớn hơn (sản xuất công nghiệp). Chính vì những ưu điểm cũng như tiềm năng ứng dụng trong tương lai nano silica xốp đã và đang không ngừng được cải thiện phương pháp tổng hợp để đạt kết quả như mong muốn.
Để tổng hợp vật liệu nano silica xốp có kích thước hạt đồng đều, phương pháp sol- gel đã được lựa chọn làm phương pháp chính và phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay được sử dụng là phương pháp Stõber do chính Stõber và các cộng sự nghiên cứu vào năm 1968. Phương pháp này được thực hiện trong các dung dịch ancol khác nhau chứa các silicon alkoxide với sự có mặt của xúc tác là các amin bậc thấp đặc biệt hiệu quả nhất là NH3 sẽ giúp thúc đẩy nhanh quá trình thủy phân, giúp làm giảm thời gian phản ứng cũng như chi phí thiết bị vận hành [12]. Các tính chất của vật liệu nano silica xốp Nano silica xốp (PNS) được tổng hợp có kích thước nhỏ từ 20-200nm, có tính năng độc đáo, đóng vai trò rất quan trọng và đầy tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong nhiều ngành và lĩnh vực. Các hạt nano silica được tổng hợp từ phương pháp Stober thường có diện tích bề mặt lớn phù hợp cho việc biến tính hoặc tạo cơ sở cho việc hình thành nhiều lỗ trống cho hiệu quả mang thuốc tốt hơn[13].
Kích thước lỗ rỗng lớn và có khả năng điều chỉnh được, mục tiêu là cải thiện kích thước lỗ rỗng lớn cho phép mang thuốc. Các lỗ rỗng này có thể thay đổi kích thước trong giới hạn hẹp (2-10 nm) [13, 14]. Khả năng vận chuyển được đánh giá rất cao do nano silica xốp có các lỗ rỗng lớn bên trong có khả năng hấp phụ thuốc nên được sử dụng như một chất mang trong lĩnh vực y học như thuốc chống ung thư, DNA, hormone,…[14] Nano silica có tính chọn lọc rất cao cũng như sự bền vững, ổn định khi kết hợp với thuốc, đây là một lý do khiến nano silica được đánh giá là vật liệu thích hợp cho mục tiêu mang thuốc. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Tính phân hủy sinh học của nano silica là quan trọng đối với việc sử dụng trong phân phối thuốc, nano silica có trọng lượng phân tử thích hợp có thể được đào thải qua thận trong cơ thể[13].
Tuy nhiên, một nhược điểm của nano silica xốp là khi được chọn làm vật liệu mang thuốc thì không thể bảo vệ thuốc trong quá trình vận chuyển dẫn đến thuốc dễ bị rò rỉ ra ngoài từ đó có thể gây hại cho các tế bào lành tính cũng như khiến hiệu quả điều trị giảm. Vì vậy để đạt hiệu quả mang thuốc cao, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu các phương pháp biến tính bề mặt hạt nano silica bằng cách gắn thêm các polymer để bảo vệ lượng thuốc bên trong, các polymer này sẽ đóng vai trò như “nắp đậy” các lỗ trống trên bề mặt vật liệu [15]. Trong phản ứng thủy phân, nhóm ethoxy của TEOS phản ứng với các phân tử nước tạo thành [Si(OC2H5)4-X(OH)X], đây là một sản phẩm trung gian được hình thành khi các nhóm ethoxy thay thế nhóm hydroxyl và amoniac được chọn là chất xúc tác cơ bản cho phản ứng này. Phản ứng hóa học được thể hiện như sau: Si(OC2H5)4 + xH2O → Si(OC2H5)4-x(OH)x + xC2H5OH Sau phản ứng thủy phân, phản ứng ngưng tụ xảy ra ngay lập tức để tạo thành cầu nối Si-O-Si.
Sẽ có hai quá trình ngưng tụ xảy ra, khi đó nhóm hydroxyl của chất trung gian [Si(OC2H5)4-X(OH)X] phản ứng với nhóm ethoxy của các TEOS khác được gọi là “ngưng tụ rượu” vì sản phẩm tạo ra có nhóm ROH hoặc một phương pháp là nhóm hydroxyl của chất trung gian sẽ tác dụng với nhóm hydroxyl của một chất khác có thể là TEOs hoặc sản phẩm trung gian đây được gọi là phương pháp “ngưng tụ nước” do sản phẩm sau ngưng tụ sẽ có H2O. Dưới đây sẽ là phương trình cụ thể quá trình ngưng tụ tiền chất TEOS để tổng hợp PNS. Theo phương trình có thể thấy tỷ lệ giữa H2O/Si(OR)4 là 4. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Trong quá trình tổng hợp PNS có những yếu tố chính sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước cũng như tính chất bề mặt vật liệu như pH, nồng độ tác chất, loại xúc tác và nhiệt độ phản ứng [16].
Mô tả quá trình hình thành nano silica xốp, biến tính và mang thuốc 1. Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano silica 1. Tổng hợp nano silica xốp (porous nano silicas gọi tắt PNS) bằng phương pháp sol-gel Nano silica được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel sao cho kích thước hạt đồng đều dưới 100 nm.