Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hệ hạt micro chitosan

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về quá trình nhả thuốc insulin từ hệ hạt micro chitosabinsulin, ứng dụng trong điều trị bệnh tiểu đường.

• Tác giả: Trịnh Thúy An
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Đại Phú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Quá Trình Nhả Thuốc Insulin Của Hệ - Hạt Micro Chitosan - Insulin/ OS-PLA-PEG-PLA-OS
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hydrogel nhạy pH/nhiệt độ
• 1.2. Hydrogel và các tính chất
• 1.3. Hydrogel nhạy nhiệt độ
• 1.4. Hydrogel nhạy pH
• 1.5. Hydrogel có khả năng nhạy cảm pH và nhiệt độ
• 1.6. Tổng quan về hạt chitosan mang thuốc
• 1.7. Nguyên lý tạo hạt bằng phương pháp electrospraying
• 1.8. Các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của hạt cầu
• 1.9. Các quá trình phân hủy sinh học và quá trình giải phóng thuốc từ hệ vận chuyển thuốc
• 1.10. Quá trình phân hủy sinh học của hydrogel, hạt mang thuốc trong môi trường in vitro
• 1.11. Quá trình phân hủy sinh học của hydrogel trong môi trường in vivo
• 1.12. Ứng dụng hệ vận chuyển thuốc trong điều trị bệnh
• 1.13. Tổng quan bệnh tiểu đường loại 1
• 1.14. Ứng dụng điều trị bệnh tiểu đường loại 1 bằng hệ vận chuyển thuốc
• 1.15. Cơ chế phân rã, quá trình đào thải các polymer trong môi trường in vivo
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Thiết bị - Dụng cụ
• 2.2. Phương pháp phân tích
• 2.3. Quan sát hình thái hạt bằng kính hiển vi điện tử quét – SEM
• 2.4. Phương pháp sắc kí gel GPC
• 2.5. Phân tích cộng hưởng từ hạt nhân 1HNMR
• 2.6. Phương pháp thử nghiệm nghịch chuyển
• 2.7. Phương pháp thử nghiệm khả năng tương thích sinh học của copolymer trong môi trường in vitro
• 2.8. Phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS)
• 2.9. Khảo sát chuyển pha sol-gel và phân hủy sinh học trong môi trường in vivo
• 2.10. Khảo sát khả năng điều trị bệnh tiểu đường loại 1 của hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS
• 2.11. Nội dung thực hiện
• 2.12. Các quy trình thực nghiệm
• 2.13. Quy trình tổng hợp triblock nhạy nhiệt PLA-PEG-PLA
• 2.14. Quy trình tổng hợp mSerine
• 2.15. Quy trình tổng hợp pentablock nhạy nhiệt/pH OS-PLA-PEG-PLA-OS
• 2.16. Quy trình tổng hợp hạt chitosan mang thuốc insulin
• 2.17. Quy trình chế tạo hệ vận chuyển thuốc từ pentablock nhạy pH/nhiệt độ và hạt Chitosan mang Insulin
• 2.18. Quy trình gây bệnh tiểu đường cho chuột
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt độ/pH OS-PLA-PEG-PLA-OS và hạt Chitosan mang thuốc insulin
• 3.2. Tổng hợp hạt micro Chitosan-Insulin bằng phương pháp electrosprayed
• 3.3. Đánh giá độ nhớt, thế zeta và khả năng tương thích sinh học pentablock copolymer và hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS
• 3.4. Khảo sát độ nhớt của pentablock copolymer và CINs-pentablock tại các điểm pH khác nhau
• 3.5. Thế zeta của hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS
• 3.6. Khả năng tương thích sinh học của CINs và pentablock trên dòng tế bào 293T, RAW 264
• 3.7. Nghiên cứu chế tạo hệ vận chuyển thuốc insulin CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS trong môi trường in vivo
• 3.8. Khảo sát khả năng sol-gel, phân hủy sinh học của pentablock copolymer và hệ CS-pentablock copolymer trong môi trường in vivo
• 3.9. Khảo sát thời gian phân hủy sinh học và cấu trúc bên trong hệ hydrogel và CS-hydrogel in vivo
• 3.10. Đánh giá quá trình sinh học của tế bào lên cấu trúc của mẫu gel in vivo
• 3.11. Đánh giá khả năng giải phóng thuốc insulin của hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS copolymer trên cơ thể chuột bị bệnh tiểu đường loại 1
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan

Nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực y học và công nghệ dược phẩm. Hệ thống này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả điều trị bệnh tiểu đường mà còn giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc. Hạt micro chitosan được sử dụng như một phương tiện vận chuyển thuốc insulin, cho phép kiểm soát quá trình giải phóng thuốc một cách hiệu quả.

1.1. Tính chất của chitosan và ứng dụng trong y học

Chitosan là một polysaccharide tự nhiên có tính chất sinh học tốt, bao gồm khả năng tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học. Những tính chất này làm cho chitosan trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc phát triển hệ thống vận chuyển thuốc.

1.2. Hệ thống nhả thuốc insulin và lợi ích của nó

Hệ thống nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan giúp duy trì nồng độ insulin ổn định trong máu, từ đó cải thiện hiệu quả điều trị bệnh tiểu đường. Việc kiểm soát quá trình nhả thuốc cũng giúp giảm thiểu tác dụng phụ không mong muốn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu nhả thuốc insulin

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của hạt chitosan, khả năng giải phóng thuốc và tương thích sinh học cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

2.1. Độ ổn định của hạt chitosan trong môi trường sinh học

Độ ổn định của hạt chitosan trong môi trường sinh học là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống nhả thuốc. Cần nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo rằng hạt chitosan không bị phân hủy quá nhanh trong cơ thể.

2.2. Khả năng giải phóng thuốc và kiểm soát nồng độ

Khả năng giải phóng thuốc insulin từ hạt micro chitosan cần được tối ưu hóa để đảm bảo nồng độ insulin trong máu duy trì ở mức ổn định. Việc này đòi hỏi nghiên cứu sâu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giải phóng thuốc.

III. Phương pháp nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin hiệu quả

Để nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm tổng hợp hạt chitosan, đánh giá khả năng giải phóng thuốc và kiểm tra tính tương thích sinh học.

3.1. Tổng hợp hạt micro chitosan mang thuốc insulin

Quá trình tổng hợp hạt micro chitosan mang thuốc insulin được thực hiện thông qua phương pháp electrospraying, giúp tạo ra các hạt có kích thước đồng đều và khả năng giải phóng thuốc tốt.

3.2. Đánh giá khả năng giải phóng thuốc trong môi trường in vitro

Khả năng giải phóng thuốc insulin từ hạt micro chitosan được đánh giá thông qua các thí nghiệm in vitro, cho phép xác định tốc độ và mức độ giải phóng thuốc trong các điều kiện khác nhau.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hệ thống nhả thuốc

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan có khả năng giải phóng thuốc ổn định và hiệu quả. Những ứng dụng thực tiễn của hệ thống này có thể mang lại lợi ích lớn cho bệnh nhân tiểu đường.

4.1. Kết quả thử nghiệm in vivo trên mô hình chuột

Các thử nghiệm in vivo cho thấy hệ thống nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan có khả năng duy trì nồng độ insulin trong máu ổn định, từ đó cải thiện tình trạng bệnh tiểu đường ở chuột.

4.2. Ứng dụng trong điều trị bệnh tiểu đường loại 1

Hệ thống nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan có tiềm năng ứng dụng lớn trong điều trị bệnh tiểu đường loại 1, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hạt micro chitosan mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển các hệ thống vận chuyển thuốc hiệu quả hơn. Tương lai của nghiên cứu này có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong điều trị bệnh tiểu đường.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ mới

Công nghệ nhả thuốc từ hạt micro chitosan có thể được phát triển thêm để cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ cho bệnh nhân.

5.2. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong y học

Nghiên cứu có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại thuốc khác, không chỉ riêng insulin, từ đó tạo ra những giải pháp điều trị mới cho nhiều bệnh lý khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Bệnh tiểu đường loại 1 là một trong những bệnh mạn tính có tỷ lệ mắc ngày càng tăng, gây ra nhiều biến chứng nghiêm trọng và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống người bệnh. Theo ước tính, việc kiểm soát nồng độ insulin trong máu một cách ổn định là thách thức lớn trong điều trị, do phương pháp tiêm insulin truyền thống thường gây ra hiện tượng bùng phát thuốc đột ngột, dẫn đến tác dụng phụ và hiệu quả điều trị không tối ưu. Luận văn này tập trung nghiên cứu quá trình nhả thuốc insulin từ hệ hạt micro chitosan mang insulin (CINs) kết hợp với hydrogel nhạy pH và nhiệt độ pentablock OS-PLA-PEG-PLA-OS nhằm tạo ra hệ vận chuyển thuốc có khả năng kiểm soát giải phóng insulin hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp và đánh giá hệ complex gel từ pentablock copolymer nhạy pH/nhiệt độ và hạt chitosan mang insulin, khảo sát khả năng chuyển pha sol-gel, độ nhớt, thế zeta, tương thích sinh học in vitro và phân hủy sinh học in vivo, đồng thời đánh giá hiệu quả điều trị bệnh tiểu đường loại 1 trên mô hình chuột bị gây bệnh bằng streptozotocin (STZ). Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và phòng thí nghiệm tại Hàn Quốc.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển hệ vận chuyển insulin có khả năng tiêm dưới da, hạn chế bùng phát thuốc ban đầu, duy trì nồng độ insulin trong ngưỡng điều trị kéo dài trên 60 giờ, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị và giảm thiểu chi phí cho bệnh nhân tiểu đường loại 1.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về hydrogel nhạy pH và nhiệt độ, và nguyên lý tạo hạt bằng phương pháp electrospraying.

1. Hydrogel nhạy pH/nhiệt độ: Hydrogel là mạng lưới polymer có khả năng hấp thụ nước và thay đổi thể tích theo các kích thích môi trường như pH và nhiệt độ. Pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS được tổng hợp với các khối nhạy pH (oligomer serine chứa nhóm sulfonamide) và nhạy nhiệt (PLA-PEG-PLA) cho phép chuyển pha sol-gel khi thay đổi pH và nhiệt độ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêm và định hình gel dưới da. Các khái niệm chính bao gồm chuyển pha sol-gel, thế zeta, độ nhớt, và phân hủy sinh học của hydrogel.

2. Phương pháp electrospraying tạo hạt chitosan mang insulin (CINs): Electrospraying sử dụng điện áp cao để phân tán dung dịch polymer thành các hạt nano-micromet có kích thước đồng đều. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng hạt gồm nồng độ polymer, dung môi, hiệu điện thế, lưu lượng phun và khoảng cách bay hơi dung môi. Hạt chitosan mang insulin được tạo ra với kích thước trung bình khoảng 268,2 ± 138,5 nm, đảm bảo khả năng bao bọc và giải phóng insulin hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp pentablock copolymer, tạo hạt CINs, đánh giá tính chất vật lý hóa học, tương thích sinh học in vitro trên dòng tế bào 293T và RAW 264.7, khảo sát phân hủy sinh học và giải phóng thuốc in vivo trên mô hình chuột BALB/c bị tiểu đường loại 1 do STZ gây bệnh.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái hạt và cấu trúc gel, phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) đo kích thước hạt và thế zeta, sắc ký gel (GPC) xác định phân tử khối, cộng hưởng từ hạt nhân (^1HNMR) phân tích cấu trúc hóa học, bộ thử đường huyết và ELISA đo nồng độ glucose và insulin trong huyết tương chuột.

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đánh giá vật liệu từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2020, thực hiện thí nghiệm in vitro và in vivo từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình in vivo sử dụng 20 con chuột BALB/c, chia thành 5 nhóm (mỗi nhóm 4 con) với các tỷ lệ khác nhau của hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS để đánh giá hiệu quả điều trị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS với trọng lượng phân tử trung bình Mn = 4130 g/mol, độ phân tán PDI = 1,203, cho thấy vật liệu có tính đồng nhất cao. Hạt CINs được tạo ra với kích thước trung bình 268,2 ± 138,5 nm, phân bố đồng đều (n=505 hạt).

2. Khả năng chuyển pha sol-gel và độ nhớt: Pentablock copolymer và hệ CINs-pentablock thể hiện chuyển pha sol-gel nhạy pH và nhiệt độ, với độ nhớt tăng đáng kể ở pH 7,4 và 8,9, phù hợp cho việc tiêm và định hình gel dưới da.

3. Tương thích sinh học in vitro: Hệ vật liệu không gây độc tế bào trên dòng 293T và RAW 264.7 với tỷ lệ sống tế bào trên 85% ở nồng độ cao 1000 μg/mL, chứng minh tính an toàn cho ứng dụng y sinh.

4. Phân hủy sinh học in vivo: Sau 7 ngày, khoảng 83% khối gel còn lại, giảm xuống còn dưới 30% sau 3 tuần, cho thấy hydrogel có khả năng phân hủy sinh học phù hợp với thời gian điều trị. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp và phân bố hạt chitosan đồng đều trong gel.

5. Hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1 trên chuột: Nồng độ glucose trong máu giảm rõ rệt và duy trì ổn định trên 60 giờ sau tiêm hệ CINs/OS-PLA-PEG-PLA-OS với tỷ lệ 3,75wt% CINs, so với nhóm tiêm insulin tự do và nhóm chỉ dung dịch pentablock. Nồng độ insulin trong huyết tương cũng duy trì ở mức ổn định, đồng thời trọng lượng cơ thể chuột được duy trì tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự phối hợp giữa hydrogel nhạy pH/nhiệt độ và hạt chitosan mang insulin tạo ra hệ vận chuyển thuốc có khả năng kiểm soát giải phóng insulin hiệu quả, hạn chế hiện tượng bùng phát thuốc ban đầu. Độ nhớt và thế zeta của hệ complex gel cho thấy sự tương tác tĩnh điện ổn định giữa các thành phần, góp phần duy trì cấu trúc gel và kiểm soát giải phóng thuốc. So sánh với các nghiên cứu trước đây, hệ pentablock copolymer này có ưu thế về khả năng phân hủy sinh học nhanh hơn và hiệu quả điều trị kéo dài hơn, phù hợp với phác đồ điều trị tiểu đường loại 1.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nồng độ glucose và insulin theo thời gian, bảng so sánh tỷ lệ sống tế bào và hình ảnh SEM cấu trúc gel để minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình sản xuất hệ complex gel quy mô lớn nhằm đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của sản phẩm, hướng tới ứng dụng lâm sàng trong 1-2 năm tới, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành và doanh nghiệp dược phẩm thực hiện.

2. Nghiên cứu mở rộng thử nghiệm in vivo trên các mô hình động vật lớn hơn để đánh giá tính an toàn và hiệu quả lâu dài, dự kiến trong vòng 2-3 năm, do các trung tâm nghiên cứu y sinh và trường đại học đảm nhiệm.

3. Tối ưu hóa tỷ lệ hạt chitosan và pentablock copolymer để điều chỉnh thời gian giải phóng insulin phù hợp với từng nhóm bệnh nhân, thực hiện trong 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu và dược lý phối hợp thực hiện.

4. Xây dựng phác đồ điều trị kết hợp hệ vận chuyển thuốc với các liệu pháp hỗ trợ khác nhằm nâng cao hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1, triển khai trong 1-2 năm, do các bệnh viện chuyên khoa và trung tâm nghiên cứu lâm sàng thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật vật liệu và dược học: Nghiên cứu về vật liệu polymer sinh học, hydrogel nhạy pH/nhiệt độ và ứng dụng trong vận chuyển thuốc.

2. Chuyên gia phát triển dược phẩm và công nghệ sinh học: Áp dụng công nghệ electrospraying và thiết kế hệ vận chuyển thuốc kiểm soát giải phóng.

3. Bác sĩ và nhà lâm sàng chuyên về bệnh tiểu đường: Hiểu rõ cơ chế và tiềm năng ứng dụng hệ vận chuyển insulin mới trong điều trị bệnh tiểu đường loại 1.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật vật liệu, công nghệ sinh học và y dược: Tham khảo phương pháp tổng hợp, đánh giá vật liệu và thiết kế thí nghiệm in vitro, in vivo.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ hạt micro chitosan mang insulin có ưu điểm gì so với tiêm insulin truyền thống?
   Hệ hạt CINs giúp kiểm soát giải phóng insulin chậm và ổn định, giảm hiện tượng bùng phát thuốc ban đầu, từ đó giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị kéo dài trên 60 giờ.

2. Pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS có tính nhạy pH và nhiệt độ như thế nào?
   Pentablock copolymer chuyển pha sol-gel khi pH và nhiệt độ thay đổi, tạo gel định hình dưới da, giúp giữ hạt chitosan và kiểm soát giải phóng thuốc hiệu quả.

3. Phương pháp electrospraying ảnh hưởng thế nào đến kích thước hạt?
   Kích thước hạt phụ thuộc vào nồng độ polymer, dung môi, hiệu điện thế và lưu lượng phun. Điều chỉnh các yếu tố này giúp tạo hạt đồng đều kích thước trung bình khoảng 268 nm.

4. Khả năng tương thích sinh học của hệ complex gel được đánh giá ra sao?
   Hệ vật liệu không gây độc tế bào trên dòng 293T và RAW 264.7 với tỷ lệ sống trên 85%, đồng thời không gây viêm sưng khi tiêm dưới da chuột, chứng minh tính an toàn cao.

5. Hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1 trên mô hình chuột được thể hiện như thế nào?
   Nồng độ glucose trong máu giảm và duy trì ổn định trên 60 giờ, nồng độ insulin huyết tương ổn định, trọng lượng cơ thể chuột được duy trì tốt hơn so với nhóm tiêm insulin tự do.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS và hạt micro chitosan mang insulin với kích thước hạt trung bình 268,2 ± 138,5 nm.
• Hệ complex gel thể hiện khả năng chuyển pha sol-gel nhạy pH/nhiệt độ, độ nhớt và thế zeta phù hợp cho ứng dụng tiêm dưới da.
• Tương thích sinh học in vitro và phân hủy sinh học in vivo chứng minh tính an toàn và khả năng phân hủy phù hợp với thời gian điều trị.
• Hiệu quả điều trị tiểu đường loại 1 trên chuột được cải thiện rõ rệt với nồng độ glucose và insulin duy trì ổn định trên 60 giờ.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển hệ vận chuyển insulin kiểm soát giải phóng, góp phần nâng cao chất lượng điều trị và giảm chi phí cho bệnh nhân.

Hành động tiếp theo: Đẩy mạnh nghiên cứu mở rộng quy mô, tối ưu hóa công thức và tiến hành thử nghiệm lâm sàng để ứng dụng thực tiễn. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp dược phẩm quan tâm hợp tác phát triển sản phẩm.

---

Trân trọng giới thiệu luận văn này đến cộng đồng khoa học và các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật vật liệu, công nghệ sinh học và y dược nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ mới trong điều trị bệnh tiểu đường loại 1.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hydrogel nhạy pH/nhiệt độ 1. Hydrogel và các tính chất Hydrogel là mạng lưới không gian của các chuỗi vướng rối polymer ưa nước ở trạng thái trương lên khi chúng hấp thụ một lượng lớn nước hoặc chất lỏng sinh học. Do đặc tính hấp thụ nước cao của hydrogel, chúng có thể mô phỏng các thuộc tính tương tự như mô sinh học, dẫn đến khả năng tương thích sinh học tuyệt vời [33-36]. Đối với việc hydrogel vận chuyển thuốc có kiểm soát, ngoài khả năng tương thích sinh học cao, hydrogel đòi hỏi khả năng “đóng gói” các tác nhân trị liệu (thuốc/protein/dược phẩm) với hàm lượng tải cao, giải phóng các tác nhân trị liệu trong cách kiểm soát, điều chỉnh được sự ổn định và khả năng phân hủy sinh học [37-39].

Hydrogel có khả năng chuyển hóa sol-gel tốt, có lợi thế để tiêm vào cơ thể mà không cần phẫu thuật cấy ghép và tốc độ nhả thuốc/protein/dược phẩm được đóng gói sẽ được quy định bởi tốc độ giảm cấp của hydrogel, cũng như quá trình khuếch tán của thuốc vào cơ thể [40-42]. Hydrogel có thể được phân thành 2 nhóm tùy theo tính chất của phản ứng liên kết ngang. Nếu phản ứng liên kết ngang liên quan đến sự hình thành liên kết cộng hóa trị, thì hydrogel đó được coi là hydrogel bền (permanent hydrogel), điển hình pMMA và pHEMA. Nếu hydrogel đó được hình thành do các tương tác vật lý như là: sự vướng rối của các phân tử, tương tác ion và liên kết hydro, giữa các chuỗi polymer thì được coi là hydrogel vật lý, điển hình như: poly(vinyl alcohol)/glycine hydrogels, gelatin gels … Hydrogel cũng có thể được phân loại thành hydrogel đáp ứng thông thường và kích thích.

Hydrogel thông thường là chuỗi polymer liên kết ngang hấp thụ nước khi cho vào dung dịch nước, không có sự thay đổi trong trạng thái cân bằng khi tiếp xúc với sự thay đổi độ pH, nhiệt độ hoặc điện trường của môi trường xung quanh. Trong khi hydrogel đáp ứng kích thích là mạng lưới polymer thay đổi trạng thái cân bằng của chúng với sự thay đổi của môi trường xung quanh. Hydrogel trải qua quá trình chuyển đổi thể tích hoặc chuyển trạng thái pha sol-gel đáng kể trong đáp ứng với các kích thích vật lý và hóa học. Các kích thích vật lý bao gồm nhiệt độ, điện trường và từ trường, thành phần dung môi, cường độ ánh sáng và áp suất, trong khi các kích thích hóa học HVCH: TRỊNH THÚY AN 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS HUỲNH ĐẠI PHÚ hoặc sinh hóa bao gồm pH, ion và các thành phần hóa học cụ thể.

Tuy nhiên, hydrogel có khả năng trở lại trạng thái ban đầu ngay sau khi gỡ bỏ các kích hoạt trước đó. Phản ứng của hydrogel với các kích thích bên ngoài chủ yếu được xác định bởi bản chất của monome, mật độ điện tích, chuỗi mạch dây chuyền và mức độ liên kết chéo. Độ lớn của đáp ứng trên các chuỗi mạch phân tử của hydrogel cũng tỷ lệ thuận với kích thích bên ngoài được áp dụng. Luận văn này tập trung nghiên cứu tổng hợp một loại hydrogel nhạy cảm pH/nhiệt độ mới ứng dụng trong vật liệu y sinh.

Với lý do đó, những phần tiếp theo sẽ tiến hành phân tích sâu rộng cấu tạo, tính chất của từng block trong khối pentablock (triblock nhạy nhiệt và oligomer nhạy pH) và ứng dụng của loại vật liệu này. Hydrogel nhạy nhiệt độ Hydrogel nhạy nhiệt độ cho thấy khả năng chuyển đổi trạng thái pha sol-gel khi nhiệt độ thay đổi nhờ vào những cấu trúc kị nước. Hydrogel trải qua biến đổi ưa nước – kị nước như vậy là do sự cạnh tranh/chiếm ưu thế hơn giữa các liên kết hydro dọc theo mạch phân tử (hay giữa nước và cấu trúc ưa nước trên mạch phân tử - tương tác ưa nước) và tương tác kỵ nước trong hydrogel. Tương tác ưa nước chiếm ưu thế khi nhiệt độ thấp dẫn đến khả năng hòa tan cao hơn hay sự trương lên của polymer cao.

Ngược lại, khi nhiệt độ tăng thì tương tác kị nước chiếm ưu thế hơn và làm cho hydrogel bị co lại, đẩy phân tử nước ra ngoài được mô phỏng như hình 1.1 Biến đổi ưa nước (trương lên) – kỵ nước (co lại) của hydrogel nhạy nhiệt. Copolymer khối dạng B-A-B (ví dụ: PCL-PEG-PCL; PLA-PEG-PLA; PAE- PEG-PAE) là một trong những hydrogel nhạy nhiệt độ đặc trưng, trên mạch của chúng chứa các khối (block) ưa nước ở tâm (core) và các khối kị nước ở cuối cấu trúc mạch. HVCH: TRỊNH THÚY AN 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS HUỲNH ĐẠI PHÚ Khối kị nước này đóng vai trò là thành phần nhạy nhiệt, tính kị nước của chúng tỷ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ, khi nhiệt độ cao hơn giá trị nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST- lower critical solution temperature) của nó. Sự chuyển đổi đại phân tử của cấu trúc ưa nước sang cấu trúc kỵ nước xảy ra khá đột ngột ở nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới.

Khi có sự cân bằng giữa các nhóm ưa nước và kỵ nước trong polymer phù hợp dẫn đến sự co mạch và sau cùng là tách pha. Do đó, chúng thể hiện được tính tan-không tan của khối copolymer khi nhiệt độ thay đổi [21]. Điều này cũng tương tự đối với triblock PLA-PEG-PLA được chọn cho nghiên cứu trong đề tài này. Mạch phân tử PLA đóng vai trò khối kị nước do trong cấu trúc của nó vừa có mạch dài, vừa có liên kết ester nên ở nhiệt độ thường nó đã thể hiện một phần tính kị nước (do có mạch dài) và tính ưa nước (do có liên kết ester).

Nhưng khi nhiệt độ tăng thì enthalpy (ΔH) của nước tăng dẫn đến làm đứt các tương tác giữa nước và nhóm ester này (liên kết hydrogen) nên làm cho tính kị nước của nó tăng và mạch co cụm lại hay sự giảm thể tích đáng kể Hình 1.2 Cấu trúc triblock poly(lactide)-poly (ethylene glycol)-poly (lactide) (PLA-PEG-PLA). Hydrogel nhạy cảm với nhiệt độ có thể chia thành: − Các polymer nhạy nhiệt “âm”: chúng có nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới LCST, khi nhiệt độ thấp hơn LCST thì trương đáng kể, còn khi gia nhiệt trên LCST thì chúng co lại, điển hình như: poly(N-isopropylacrylamide) có LCST (32°C) gần nhiệt độ cơ thể, poly(N,N’-diethylacrylamide), poly(dimethylaminoethyl methacrylate), poly(2-carboxy-isopropylacrylamide)…[23] HVCH: TRỊNH THÚY AN 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS HUỲNH ĐẠI PHÚ − Các polymer nhạy nhiệt “dương”: chúng có nhiệt độ dung dịch tới hạn trên UCST, ở nhiệt độ cao hơn UCST thì trương đáng kể, khi làm lạnh dưới UCST thì chúng co lại, điển hình như: poly(acrylic acid), polyacryamide, agarose… [24]. − Các polymer có hiệu ứng cân bằng phân tử lưỡng tính. Các block copolymer có thành phần cấu tạo phân tử lưỡng tính, gồm các nhóm ưa nước và kị nước.

Chúng cảm ứng nhiệt độ tạo hạt micelle trong môi trường nước và hình thành gel. Như vậy, nhiệt độ hóa gel là nhiệt độ tới hạn, khi nhiệt độ tăng dung dịch polymer tạo thành gel, như: PEO – PPO - PEO [25]. Sự cân bằng tính kị nước/ưa nước được điều chỉnh bằng cách đưa vào 2 đầu mạch bên các nhóm ưa nước và kị nước, như các block copolymer poly(ethylene glycol –D–L–axit lactic – coglycolide –b– ethylene glycol) (PEG – PLGA – PEG). Hydrogel nhạy pH Polymer nhạy pH là loại polymer có khả năng phản ứng lại sự thay đổi pH môi trường xung quanh nó, làm thay đổi cấu trúc mạng của chúng.

Biểu hiện của quá trình này là sự co lại hay giãn ra của mạch polymer do tạo nên tương tác cùng cực khi có sự thay đổi pH môi trường. Những polymer nhạy pH có chứa những nhóm chức có khả năng ion hóa, chúng có thể cho hay nhận proton tùy theo pH của môi trường. Khi pH môi trường thay đổi, mức độ ion hóa của polymer phụ thuộc vào bản chất nhóm chức, là nhóm chức thể hiện khả năng ion hóa tại những điểm pH riêng biệt, hình 1.3 Sự thay đổi mức độ trương, co của polymer nhạy pH khi [26]. Ta có thể chia polymer nhạy pH thành hai nhóm chính sau: HVCH: TRỊNH THÚY AN 7 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS HUỲNH ĐẠI PHÚ − Polymer nhạy pH loại nhạy “anion”: trong mạch polymer có chứa các nhóm chức acid ( –COOH, -SO3H, -SH,…), những polymer này có khả năng ion hóa trong môi trường pH có tính base.

Các nhóm chức acid sẽ hình thành ion âm trong môi trường pH lớn hơn giá trị pKa của nó, do sự phân ly proton tạo nên các ion mang điện tích cùng dấu trên mạch polymer. − Polymer nhạy pH loại “cation”: trên mạch có nhóm chức amin như -NH2, -NH- ,….Những polymer có khả năng ion hóa trong môi trường pH có tính acid. Các nhóm chức amin sẽ hình thành ion dương trong môi trường pH bé hơn pKb của nó, do nhận proton tạo nên các ion mang điện tích cùng dấu trên mạch [26]. Sự hình thành các điện tích cùng dấu trên mạch polymer làm lực đẩy tĩnh điện trên mạch polymer giãn ra (hiện tượng trương).

Khi pH thay đổi đến giá trị các nhóm chức không còn bị ion hóa (đề ion hóa), mạch polymer không còn tồn tại lực đẩy tĩnh điện chúng sẽ co lại. Polymer nhạy cảm pH có cấu trúc chứa axit như: axit cacboxylic và axit sunfonic hoặc các nhóm base như muối amoni, phản ứng với sự thay đổi pH trong môi trường của chúng bằng cách tăng hoặc giảm proton. Polyelectrolytes là các polymer có số lượng lớn các nhóm ion hóa. Các polyelectrolytes anion như poly (axit acrylic) (PAA) bị khử proton trong điều kiện môi trường base và sau đó lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi tăng mạnh, cho phép các phân tử nước xâm nhập gây ra sự trương lên mạnh mẽ của hydrogel.

Tuy nhiên, trong môi trường axit, các proton polymer có tính axit dẫn đến giảm mật độ điện tích và giảm thể tích polymer.4 Sự ion hóa phụ thuộc pH của polyelectrolytes. HVCH: TRỊNH THÚY AN 8 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS HUỲNH ĐẠI PHÚ  Oligomer nhạy cảm pH trong hệ thống phân phối thuốc bằng phương pháp “tiêm” dưới da (Injectable temperature pH-sensitive Polymer) Polymer nhạy pH ứng dụng trong hệ thống phân phối thuốc bằng phương pháp tiêm vào cơ thể sống phải có khả năng chuyển hóa trạng thái sol-gel (các monome được tổng hợp phải chứa đựng các nhóm chức sau khi hình thành nên polymer có khả năng ion hóa và đề ion hóa khi pH môi trường thay đổi như –COOH, -SH, -NH2,…) khi thay đổi môi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ ion,….), nhằm mục đích khối gel được định hình và trở thành nơi lưu trữ tác nhân điều trị bệnh trong thời gian dài [8,27]. Polymer nhạy pH được tổng hợp nên phải có khối lượng phân tử không quá lớn để có thể phân hủy nhanh chóng (sau 7 đến 21 ngày), nên polymer nhạy pH thường được tổng hợp thành các oligomer (với số mắc xích hình thành nhỏ hơn 100 đơn vị).