Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển các hệ dẫn truyền thuốc hiện đại, việc chế tạo hạt nanocapsule polymer có cấu trúc lõi – vỏ đang thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng kiểm soát nhả thuốc và tăng hiệu quả điều trị. Curcumin, một hợp chất polyphenol chiết xuất từ củ nghệ vàng, nổi bật với nhiều tính chất dược lý như kháng ung thư, kháng viêm và chống oxy hóa. Tuy nhiên, khả năng hòa tan kém và đào thải nhanh của Curcumin làm giảm hiệu quả sử dụng trong y học. Để khắc phục, việc kết hợp Curcumin vào các hệ mang thuốc nano như nanocapsule chitosan được xem là giải pháp tiềm năng.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo hạt nanocapsule chitosan chứa Curcumin bằng phương pháp Coaxial electrospraying, một kỹ thuật tạo hạt polymer đa lớp kích thước nano sử dụng kim đồng tâm và lực điện trường. Mục tiêu chính là khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt, bao gồm nồng độ chitosan, hiệu điện thế và lưu lượng dung dịch, đồng thời đánh giá hình thái, kích thước, cấu trúc lõi – vỏ, khả năng nhả thuốc in vitro và phân hủy của hạt. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ dẫn truyền thuốc nano có kiểm soát, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị ung thư và các bệnh lý khác. Việc tối ưu hóa các thông số chế tạo giúp tạo ra hạt nanocapsule có kích thước trung bình khoảng 70 ± 20 nm, phù hợp với kích thước lỗ hổng tế bào ung thư (200 – 780 nm), từ đó tăng khả năng tiếp cận và nhả thuốc có kiểm soát tại vị trí mục tiêu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Phương pháp Coaxial electrospraying dựa trên nguyên lý Electrospraying truyền thống, sử dụng lực điện trường để tạo ra các giọt polymer tích điện, hình thành nón Taylor và phun thành các hạt nano. Điểm cải tiến là sử dụng đầu kim đồng tâm cho phép tạo hạt đa lớp với cấu trúc lõi – vỏ, giúp kiểm soát vị trí thuốc trong hạt, giảm hiện tượng nhả thuốc bùng nổ ban đầu.

Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết về sức căng bề mặt và hệ số che phủ (hệ số Harkin): Xác định khả năng tạo cấu trúc lõi – vỏ dựa trên sức căng bề mặt của dung dịch pha lõi, pha vỏ và sức căng liên diện giữa hai pha. Hệ số che phủ dương đảm bảo pha vỏ bao phủ hoàn toàn pha lõi.

  • Lý thuyết về chế độ rối chuỗi polymer trong dung dịch: Nồng độ polymer ảnh hưởng đến sự hình thành chuỗi rối, quyết định chế độ tạo hạt hay sợi. Chế độ “semi-dilute moderately entangled regime” là khoảng nồng độ tối ưu để tạo hạt nano có hình dạng tròn và kích thước đồng đều.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: nanocapsule, chitosan, curcumin, coaxial electrospraying, sức căng bề mặt, hệ số che phủ, chế độ phun “cone-jet”, cấu trúc lõi – vỏ, nhả thuốc in vitro.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu Polyme và Composite, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm các hạt nanocapsule chitosan chứa Curcumin được tạo ra với các biến đổi về nồng độ chitosan (2 – 5 wt%), hiệu điện thế (12.5 – 17 kV), và tỷ lệ lưu lượng pha lõi/pha vỏ (0.5 – 2).

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đo sức căng bề mặt dung dịch polymer và dung dịch chứa Curcumin để tính toán hệ số che phủ.

  • Quan sát hình thái và kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định cấu trúc lõi – vỏ.

  • Phân tích độ sạch dung môi bằng sắc ký khí (GC).

  • Thí nghiệm nhả thuốc in vitro trong dung dịch đệm PBS pH 7.4, đo độ hấp thu UV-VIS tại bước sóng 425 nm để đánh giá tốc độ nhả Curcumin.

  • Phân tích phân hủy hạt bằng phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TG).

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 7 năm 2017, bao gồm thiết kế hệ thống, khảo sát các thông số, thu thập và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến kích thước và hình thái hạt: Khi tăng nồng độ chitosan từ 2% đến 5%, kích thước hạt nanocapsule tăng từ khoảng 15 nm đến 235 nm. Ở nồng độ 3 – 4%, hạt có kích thước trung bình khoảng 70 ± 20 nm, phù hợp với yêu cầu kích thước lý tưởng để thâm nhập tế bào ung thư. Hình ảnh SEM cho thấy bề mặt hạt nhẵn, hình cầu đồng đều.

  2. Ảnh hưởng của hiệu điện thế đến chế độ phun và kích thước hạt: Hiệu điện thế trong khoảng 12.5 – 17 kV ảnh hưởng đến sự hình thành chế độ phun “cone-jet” ổn định. Khi tăng hiệu điện thế, kích thước hạt giảm nhẹ do hình dạng nón Taylor thu ngắn lại, giúp tạo hạt nhỏ hơn. Chế độ phun ổn định đạt được trong khoảng 12.5 – 15 kV.

  3. Cấu trúc lõi – vỏ của hạt nanocapsule: Quan sát TEM xác nhận hạt nanocapsule chitosan chứa Curcumin có cấu trúc lõi – vỏ rõ ràng khi tỷ lệ lưu lượng pha vỏ/pha lõi là 2:1 hoặc cao hơn. Tỷ lệ lưu lượng cân bằng (1:1) không tạo được cấu trúc lõi – vỏ hoàn chỉnh.

  4. Khả năng nhả thuốc in vitro và phân hủy hạt: Hạt nanocapsule có cấu trúc lõi – vỏ thể hiện khả năng nhả Curcumin có kiểm soát, giảm hiện tượng nhả thuốc bùng nổ ban đầu. Sau 10 ngày, lượng Curcumin nhả ra từ hạt lõi – vỏ chỉ khoảng 20% trong 1 giờ đầu, so với gần 60% ở hạt không có cấu trúc lõi – vỏ. Phân tích TG cho thấy hạt có khả năng phân hủy sinh học phù hợp với ứng dụng y sinh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi kích thước hạt theo nồng độ chitosan là do sự gia tăng độ nhớt và sức căng bề mặt dung dịch, làm tăng lực liên kết chuỗi polymer, dẫn đến hạt lớn hơn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nồng độ polymer trong electrospraying.

Hiệu điện thế cao giúp tạo ra lực điện trường đủ mạnh để vượt qua sức căng bề mặt, hình thành chế độ phun “cone-jet” ổn định, từ đó tạo hạt có kích thước nhỏ và đồng đều hơn. Tuy nhiên, hiệu điện thế quá cao có thể gây chế độ phun không ổn định, ảnh hưởng đến chất lượng hạt.

Cấu trúc lõi – vỏ được hình thành khi tỷ lệ lưu lượng pha vỏ lớn hơn pha lõi, đảm bảo pha vỏ bao phủ hoàn toàn pha lõi theo hệ số che phủ dương. Điều này giúp thuốc Curcumin được bảo vệ bên trong lõi, giảm nhả thuốc bùng nổ và tăng hiệu quả điều trị.

Dữ liệu nhả thuốc in vitro minh họa rõ ràng ưu điểm của cấu trúc lõi – vỏ trong kiểm soát giải phóng thuốc, giảm tác dụng phụ và kéo dài thời gian tác dụng. Biểu đồ phân bố kích thước hạt và đường cong nhả thuốc có thể được trình bày để minh họa trực quan các phát hiện này.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa nồng độ chitosan trong khoảng 3 – 4 wt% để tạo hạt nanocapsule có kích thước trung bình 70 ± 20 nm, phù hợp với kích thước lỗ hổng tế bào ung thư, nâng cao hiệu quả thâm nhập và nhả thuốc.

  2. Điều chỉnh hiệu điện thế trong khoảng 12.5 – 15 kV để duy trì chế độ phun “cone-jet” ổn định, đảm bảo hình thành hạt có kích thước đồng đều và cấu trúc lõi – vỏ hoàn chỉnh.

  3. Kiểm soát tỷ lệ lưu lượng pha vỏ/pha lõi từ 2:1 trở lên nhằm đảm bảo cấu trúc lõi – vỏ, giảm nhả thuốc bùng nổ ban đầu, tăng khả năng nhả thuốc có kiểm soát và kéo dài thời gian tác dụng.

  4. Áp dụng hệ thống Coaxial electrospraying trong sản xuất quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp với việc thiết kế hệ thống thu mẫu phù hợp, kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm môi trường để đảm bảo chất lượng hạt.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 6 – 12 tháng bởi các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu y sinh và dược phẩm để phát triển các sản phẩm dẫn truyền thuốc nano hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Vật liệu và Công nghệ Nano: Nghiên cứu phương pháp Coaxial electrospraying và ứng dụng trong chế tạo hạt nanocapsule polymer đa lớp.

  2. Chuyên gia phát triển dược phẩm và công nghệ dẫn truyền thuốc: Tìm hiểu kỹ thuật tạo hạt nano có cấu trúc lõi – vỏ để cải thiện hiệu quả nhả thuốc và giảm tác dụng phụ.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu y sinh và dược phẩm: Áp dụng công nghệ electrospraying để phát triển sản phẩm nano mang thuốc Curcumin và các hợp chất tương tự.

  4. Bác sĩ và nhà khoa học trong lĩnh vực điều trị ung thư: Hiểu rõ về các hệ dẫn truyền thuốc nano mới, khả năng kiểm soát nhả thuốc và tiềm năng ứng dụng trong điều trị lâm sàng.

Mỗi nhóm đối tượng có thể sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo kỹ thuật, cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm để phát triển nghiên cứu hoặc sản phẩm mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Coaxial electrospraying là gì và ưu điểm so với electrospraying truyền thống?
    Coaxial electrospraying là kỹ thuật tạo hạt polymer đa lớp bằng kim đồng tâm và lực điện trường, cho phép tạo cấu trúc lõi – vỏ. Ưu điểm là kiểm soát vị trí thuốc trong hạt, giảm nhả thuốc bùng nổ và tăng hiệu quả điều trị so với electrospraying đơn lớp.

  2. Tại sao chọn chitosan làm vật liệu polymer cho nanocapsule?
    Chitosan có khả năng tương thích sinh học cao, phân hủy sinh học, kháng khuẩn và an toàn với tế bào, phù hợp làm hệ dẫn truyền thuốc. Ngoài ra, chitosan dễ dàng tạo hạt nano bằng electrospraying và tương tác tốt với Curcumin.

  3. Kích thước hạt nanocapsule ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả điều trị?
    Kích thước hạt nano khoảng 70 ± 20 nm giúp hệ dẫn truyền thuốc dễ dàng thâm nhập qua lỗ hổng tế bào ung thư (200 – 780 nm), tăng khả năng tiếp cận tế bào mục tiêu và nhả thuốc có kiểm soát, giảm tác dụng phụ.

  4. Làm thế nào để kiểm soát cấu trúc lõi – vỏ của hạt nanocapsule?
    Điều chỉnh tỷ lệ lưu lượng pha vỏ/pha lõi (từ 2:1 trở lên) và lựa chọn dung dịch có hệ số che phủ dương giúp pha vỏ bao phủ hoàn toàn pha lõi, tạo cấu trúc lõi – vỏ ổn định.

  5. Khả năng nhả thuốc in vitro của hạt nanocapsule lõi – vỏ có ưu điểm gì?
    Hạt lõi – vỏ giảm hiện tượng nhả thuốc bùng nổ ban đầu, lượng thuốc nhả ra trong 1 giờ đầu chỉ khoảng 20%, so với gần 60% ở hạt không có cấu trúc lõi – vỏ, giúp kiểm soát giải phóng thuốc hiệu quả và kéo dài thời gian tác dụng.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo hạt nanocapsule chitosan chứa Curcumin bằng phương pháp Coaxial electrospraying với kích thước hạt từ 15 đến 235 nm, trung bình khoảng 70 ± 20 nm.
  • Các yếu tố nồng độ chitosan, hiệu điện thế và tỷ lệ lưu lượng pha vỏ/pha lõi ảnh hưởng rõ rệt đến hình thái, kích thước và cấu trúc lõi – vỏ của hạt.
  • Hạt nanocapsule có cấu trúc lõi – vỏ thể hiện khả năng nhả thuốc in vitro có kiểm soát, giảm nhả thuốc bùng nổ và có khả năng phân hủy sinh học phù hợp ứng dụng y sinh.
  • Phương pháp Coaxial electrospraying là kỹ thuật đơn giản, hiệu quả, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất hệ dẫn truyền thuốc nano.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, tối ưu hóa điều kiện vận hành và thử nghiệm lâm sàng để phát triển sản phẩm ứng dụng thực tế.

Để nâng cao hiệu quả điều trị và phát triển công nghệ dẫn truyền thuốc nano, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển phương pháp Coaxial electrospraying dựa trên các kết quả nghiên cứu này.