Luận án tiến sĩ về hệ vận chuyển thuốc từ hạt chitosan và hydrogel nhạy nhiệt độ

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học nghiên cứu hệ vận chuyển thuốc trên cơ sở hạt micronano chitosan và vật liệu, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Hiền
• Người hướng dẫn: Huỳnh Đại Phú
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Vận Chuyển Thuốc Bằng Hạt Chitosan Và Hydrogel Nhạy Nhiệt Độ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ vận chuyển thuốc

Hệ vận chuyển thuốc là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y học hiện đại, nhằm cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển hệ vận chuyển thuốc dựa trên hạt chitosan và hydrogel nhạy nhiệt độ. Hạt chitosan được biết đến với tính năng sinh học tốt, khả năng tương thích và khả năng phân hủy sinh học. Hydrogel nhạy nhiệt độ có khả năng thay đổi trạng thái từ gel sang sol khi nhiệt độ thay đổi, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải phóng thuốc. Việc kết hợp hai loại vật liệu này hứa hẹn sẽ tạo ra một hệ thống vận chuyển thuốc hiệu quả hơn, đặc biệt cho các loại thuốc điều trị như insulin hay các loại thuốc điều trị tiểu đường.

1.1. Tính năng của hạt chitosan

Hạt chitosan có nhiều ưu điểm nổi bật như tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học. Chitosan có khả năng tạo gel và tương tác với các loại thuốc, giúp cải thiện khả năng tải thuốc. Tuy nhiên, việc kiểm soát quá trình nhả thuốc từ hạt chitosan vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp hạt chitosan với hydrogel nhạy nhiệt có thể cải thiện khả năng nhả thuốc, đặc biệt là đối với các loại thuốc ưa nước như paracetamol. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các hệ thống vận chuyển thuốc hiệu quả hơn.

II. Tổng quan về hydrogel nhạy nhiệt

Hydrogel nhạy nhiệt là một loại vật liệu có khả năng thay đổi trạng thái khi nhiệt độ thay đổi. Nghiên cứu này đã tổng hợp các loại hydrogel từ Poly Ethylene Glycol (PEG) và D,L-Lactide, cho thấy khả năng tạo gel tốt trong điều kiện nhiệt độ cơ thể. Các hydrogel này không chỉ có khả năng giữ thuốc mà còn có thể điều chỉnh tốc độ nhả thuốc dựa trên nhiệt độ môi trường. Kết quả thử nghiệm cho thấy hydrogel nhạy nhiệt có thể nhả thuốc kị nước như ibuprofen một cách từ từ, trong khi thuốc ưa nước như paracetamol được nhả ra nhanh chóng. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của hydrogel trong việc phát triển các hệ thống vận chuyển thuốc thông minh.

2.1. Tính năng của hydrogel nhạy nhiệt

Các hydrogel nhạy nhiệt được tổng hợp trong nghiên cứu này thể hiện tính năng vượt trội trong việc tạo gel và nhả thuốc. Chúng có khả năng duy trì trạng thái gel ở nhiệt độ cơ thể, đồng thời có thể chuyển sang trạng thái sol khi nhiệt độ tăng lên. Điều này cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình nhả thuốc, giúp tăng cường hiệu quả điều trị. Hệ thống này có thể được áp dụng cho nhiều loại thuốc khác nhau, đặc biệt là các loại thuốc cần kiểm soát liều lượng và thời gian nhả thuốc. Việc nghiên cứu và phát triển các hydrogel nhạy nhiệt sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học và dược phẩm.

III. Kết hợp hạt chitosan và hydrogel

Việc kết hợp hạt chitosan và hydrogel nhạy nhiệt đã cho thấy những kết quả khả quan trong việc cải thiện khả năng vận chuyển thuốc. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tạo ra hạt micro-nano chitosan bao thuốc ưa nước paracetamol từ chitosan và hydrogel nhạy nhiệt đã làm tăng đáng kể khả năng tải thuốc (LC) và hiệu quả bao gói (EE). Tuy nhiên, việc kiểm soát quá trình nhả thuốc vẫn còn gặp nhiều thách thức. Giải pháp thứ hai là tạo hạt micro-nano chitosan bao thuốc exendin-4 phân tán trong hydrogel nhạy nhiệt, nhạy pH, cho thấy tốc độ nhả thuốc chậm hơn so với từng hệ riêng lẻ. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của hệ thống kết hợp trong điều trị bệnh tiểu đường tuýp 2.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống vận chuyển thuốc kết hợp giữa hạt chitosan và hydrogel nhạy nhiệt có thể được ứng dụng trong điều trị nhiều loại bệnh, đặc biệt là bệnh tiểu đường. Việc kiểm soát tốc độ nhả thuốc sẽ giúp duy trì nồng độ thuốc trong cơ thể ở mức ổn định, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ. Nghiên cứu này không chỉ mở ra hướng đi mới trong phát triển các hệ thống vận chuyển thuốc mà còn góp phần vào việc cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Các giải pháp kết hợp này có thể được nghiên cứu sâu hơn để phát triển các loại thuốc mới, đáp ứng nhu cầu điều trị ngày càng cao trong xã hội hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THANH HIỀN NGHIÊN CỨU HỆ VẬN CHUYỂN THUỐC TRÊN CƠ SỞ HẠT MICRO-NANO CHITOSAN VÀ VẬT LIỆU HYDROGEL Y SINH NHẠY NHIỆT ĐỘ, NHẠY PH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2023 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY NGUYEN THI THANH HIEN STUDY OF DRUG DELIVERY SYSTEM BASED ON CHITOSAN MICRO-NANO PARTICLES AND TEMPERATURE, PH-SENSITIVE BIOMEDICAL HYDROGELS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY - 2023 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THANH HIỀN NGHIÊN CỨU HỆ VẬN CHUYỂN THUỐC TRÊN CƠ SỞ HẠT MICRO-NANO CHITOSAN VÀ VẬT LIỆU HYDROGEL Y SINH NHẠY NHIỆT ĐỘ, NHẠY PH Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số chuyên ngành: 9520301 Phản biện độc lập: PGS.

Đỗ Thị Mỹ Liên Phản biện độc lập: PGS. Nguyễn Đại Hải Phản biện: PGS. Nguyễn Đình Thành Phản biện: PGS. Hoàng Thị Đông Quỳ Phản biện: TS.

Huỳnh Lê Huy Cường NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Huỳnh Đại Phú 2. Hà Cẩm Anh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, một ít nhiệm vụ nghiên cứu là thành quả tập thể và được sự cho phép của đồng sự sử dụng. Các kết quả nghiên cứu, các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Thị Thanh Hiền i TÓM TẮT LUẬN ÁN Luận án này nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu bao gồm hydrogel nhạy nhiệt, nhạy pH từ Poly Ethylene Glycol (PEG), D,L-Lactide và hạt micro-nano chitosan để áp dụng làm hệ dẫn truyền thuốc dạng tiêm. Các đặc tính, yêu cầu cần thiết cho một vật liệu y sinh như tính tương thích sinh học, tính phân hủy sinh học, khả năng chuyển pha sol- gel, kích thước, hình dáng hạt được kiểm tra bằng các phương pháp khoa học hiện đại. Những kết quả chính của luận án cho thấy đã tạo được hạt micro-nano chitosan tròn, đều với kích thước trung bình 367 nm bằng phương pháp electrospraying.

Bên cạnh đó, hệ hydrogel nhạy nhiệt copolymer PLA1750-PEG1750-PLA1750 (T-2.6 25%) và các pentablock copolymer nhạy nhiệt và nhạy pH OS-PLA1750-PEG1750-PLA1750-OS (P-2.6 25%) hay OSA-PLA1750-PEG1750-PLA1750-OSA (P-2.6A 35%) được tổng hợp thể hiện các ưu điểm tạo gel tốt trong điều kiện 37°C, pH 7,4 và có đặc điểm của micelle. Tất cả các vật liệu đều đạt yêu cầu về tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học. Hydrogel nhạy nhiệt cho kết quả thử nghiệm in vitro nhả thuốc kị nước (ibuprofen) có mối quan hệ với quy luật phân hủy: nhả chậm ban đầu và nhanh sau 3 tuần. Đối với thuốc ưa nước như paracetamol, hệ hydrogel nhả khá nhanh là do thuốc được giữ bởi PEG nằm ở vỏ của micelle nên dễ dàng khuếch tán vào môi trường.

Riêng hạt micro-nano chitosan có giá trị tải thuốc LC, bao gói EE thấp và khó kiểm soát nhả thuốc cả ưa nước và kị nước do không có sự tương tác giữa thuốc và chitosan. Từ đó, các giải pháp kết hợp 2 hệ vật liệu hydrogel và hạt micro-nano chitosan để cải thiện đặc tính bao thuốc, kéo dài nhả thuốc ưa nước được đưa ra. Giải pháp thứ nhất là tạo hạt micro-nano bao thuốc ưa nước paracetamol từ chitosan và hydrogel nhạy nhiệt đã làm tăng LC (3,94%) và EE (60,25%) cao bởi tương tác hydro giữa các nhóm chức của chitosan và PLA, nhưng việc kiểm soát nhả thuốc khó khăn. Giải pháp thứ hai là tạo hạt micro-nano chitosan bao thuốc ưa nước exendin-4 phân tán trong hydrogel nhạy nhiệt, nhạy pH để kéo dài thời gian nhả thuốc.

Việc thử nghiệm này cho kết quả hệ kết hợp đạt tốc độ nhả thuốc chậm hơn so với từng hệ riêng hydrogel P-2.6 và hạt trơn chitosan qua so sánh lượng đường huyết của chuột bị tiểu đường tuýp 2 sau khi tiêm. Đây là kết quả rất khả quan tạo tiền đề cho nghiên cứu sâu hơn hệ dẫn truyền thuốc exendin-4, một loại thuốc điều trị bệnh tiểu đường tuýp 2, rất cấp thiết trong thực tế hiện tại. ii ABSTRACT This thesis studied the synthesis of biomaterial materials, including thermosensitive, pH-sensitive hydrogels from Poly Ethylene Glycol (PEG), D, L - Lactide, and micro-nano chitosan particles to apply as the injectable drug delivery system. The required properties for a biomedical material, such as biocompatibility, biodegradability, sol-gel phase transition, morphology, and size, were evaluated by scientific analytical methods.

The main results of the thesis show that the micro-nano chitosan particles formed by the electrospraying method obtained round shapes, uniform, with an average diameter of 367 nm. In addition, the synthesized thermosensitive PLA1750-PEG1750-PLA1750 (T-2.6 25%) hydrogel and the temperature, pH-sensitive OS-PLA1750-PEG1750-PLA1750-OS (P-2.6 25%), OSA-PLA1750-PEG1750- PLA1750-OSA (P-2.6A 35%) hydrogels showed a good gel state in 37°C, pH 7,4, and owning micelles feature. These materials exhibited degradation and good biocompatibility in vitro and in vivo testing. The hydrophobic drugs (ibuprofen) release process results of the T-2.6 hydrogels were related to the rule of in vitro degradation: initial slow and fast after three weeks.

For paracetamol as a hydrophilic drug, the release of hydrogels was quick because it was encapsulated by hydrophilic PEG located at the shell of the micelle. Remarkably, the micro-nano chitosan particles had small drug loading (LC), low efficient encapsulation EE and difficult drug release control of hydrophilic and hydrophobic drugs because of no interaction between the drugs and chitosan. Therefore, solutions that combine hydrogel materials and chitosan micro-nano particles were proposed to improve hydrophilic drug delivery. The first solution is to create micro-nano particles from a solution of chitosan and thermosensitive hydrogel containing paracetamol.

As a result, there is a dramatically increasing in the LC (3,94%) and EE (60,25%) because of hydrogen interaction between functional groups of chitosan and PLA, but drug release control is difficult. The second solution is to generate micro- nano chitosan particles coating an exendin-4 hydrophilic drug and disperse them in temperature and pH-sensitive hydrogels. The results displayed that the drug release rate of the combined system was slower than that of the P-2.6 hydrogel and bare chitosan particles. The positive outcome creates primes for further research into the exendin-4 drug delivery system to treat type 2 diabetes, an urgent problem now.

iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin cám ơn trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh giúp tôi tiếp thu thêm kiến thức mới, nâng cao trình độ chuyên môn của mình. Tôi chân thành cám ơn trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh và đặc biệt là Khoa Công nghệ Hóa học đã ủng hộ, quan tâm tôi trong suốt thời gian học tập. Tôi gửi lời cảm ơn đến bộ môn đào tạo Kỹ thuật Hóa hữu cơ và các phòng thí nghiệm cho phép tôi thực hiện luận án này. Tôi trân trọng cám ơn PGS.

Huỳnh Đại Phú và TS. Hà Cẩm Anh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi cám ơn rất nhiều gia đình, các cộng sự, đồng nghiệp, các sinh viên đã hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án này. iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.

viii DANH MỤC BẢNG BIỂU. xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. xiii TỔNG QUAN .1 Tính cấp thiết của đề tài .1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .2 Ý nghĩa của đề tài .3 Tổng quan về nguyên liệu, đối tượng nghiên cứu .4 Tổng quan hạt micro-nano chitosan .4 Tổng quan về hydrogel nhạy nhiệt, nhạy pH .6 Cơ sở khoa học của đề tài .10 Tình hình nghiên cứu .12 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .12 Tình hình nghiên cứu trong nước .25 Nội dung nghiên cứu .28 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .29 Nguyên liệu, hóa chất và động vật .32 Tổng hợp copolymer nhạy nhiệt, nhạy pH.32 Quy trình tạo hạt micro-nano .43 Quy trình phân hủy vật liệu trong điều kiện in vitro, in vivo .45 Quy trình đánh giá khả năng tải thuốc, bao gói thuốc của hạt micro-nano chitosan .46 Quy trình đánh giá hàm lượng acid acetic trong hạt micro-nano chitosan ………………………………………………………………………….47 Quy trình đánh giá tương thích sinh học của hệ dẫn hydrogel và hạt micro-nano chitosan trong điều kiện in vivo .47 Quy trình nhả thuốc từ hệ hydrogel, hạt micro-nano chitosan và hệ kết hợp hydrogel với hạt micro-nano chitosan .47 Mô hình tạo chuột tiểu đường tuýp 2 .48 v Các phương pháp phân tích .49 Phương pháp phân tích cấu trúc polymer.49 Phương pháp phân tích các đặc tính của copolymer .50 Phương pháp xác định đặc tính của chitosan .52 Phương pháp nhuộm HE (hematoxylin và eosin) .54 Phương pháp phân tích HPLC (high performance liquid chromatography) ………………………………………………………………………….54 Tóm tắt sơ đồ quy trình tổng hợp, nghiên cứu.54 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .58 Tổng hợp và đánh giá đặc tính hydrogel nhạy nhiệt độ PLA-PEG-PLA .58 Tổng hợp triblock copolymer nhạy nhiệt độ PLA-PEG-PLA .58 Phân tích chuyển pha sol-gel của triblock copolymer PLA-PEG-PLA .61 Tổng hợp oligomer nhạy pH .63 Oligomer nhạy pH từ mserine (OS) .63 Oligomer nhạy pH từ acid suberic và ethylenediamine (OSA) .66 Tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt độ, nhạy pH .71 Pentablock copolymer nhạy nhiệt, nhạy pH OS-PLA-PEG-PLA-OS từ PLA-PEG-PLA và OS .71 Pentablock copolymer nhạy nhiệt, nhạy pH OSA- PLA-PEG-PLA-OSA từ PLA-PEG-PLA và OSA .74 So sánh hydrogel nhạy nhiệt và hydrogel nhạy nhiệt, nhạy pH.77 Đánh giá khả năng phân hủy và tương thích của hydrogel.79 Phân hủy, tương thích sinh học của hydrogel PLA1750-PEG1750-PLA1750 (T-2.79 Phân hủy, tương thích sinh học của hydrogel nhạy nhiệt độ, nhạy pH .83 So sánh khả năng phân hủy và tương thích của T-2.90 Tổng hợp hạt micro-nano chitosan .92 Đánh giá đặc tính của nguyên liệu chitosan .92 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt micro-nano chitosan bằng phương pháp electrospraying .94 Đánh giá khả năng tương thích sinh học và phân hủy in vitro, in vivo của hạt micro-nano chitosan .100 vi Kết quả đặc điểm hạt micro-nano chitosan được tạo ra bằng phương pháp electrospraying .102 Đánh giá khả năng bao thuốc, nhả thuốc in vitro của hydrogel, hạt micro-nano chitosan .103 Khả năng bao gói, nhả thuốc kị nước của hydrogel, hạt micro-nano chitosan .103 Đánh giá khả năng tải thuốc, bao thuốc và nhả thuốc ưa nước của hydrogel, hạt micro-nano chitosan .108 Giải pháp làm tăng khả năng bao gói thuốc ưa nước của hệ vật liệu .122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .123 TÀI LIỆU THAM KHẢO .138 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Công thức cấu tạo hóa học của chitosan .2 Mô phỏng sự trương nở của polymer hydrogel .3 Các tác nhân tác động đến khả năng đáp ứng của polymer thông minh [33] .4 Cơ chế hình thành gel của copolymer lưỡng tính theo nhiệt độ [34] .5 Sự thay đổi hình thái của polymer nhạy pH khi pH thay đổi .6 Giản đồ sol-gel của copolymer PDLLA-PEG-PDLLA theo nồng độ và nhiệt độ với phân tử lượng khác nhau S1, S2, S3 [55] .