Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp dược phẩm hiện đại, khoảng 80% hoạt chất có dược tính tồn tại ở dạng rắn, tuy nhiên có đến 40% trong số đó sở hữu độ hòa tan rất kém trong môi trường nước. Hạn chế này làm giảm đáng kể sinh khả dụng và tốc độ hấp thu của thuốc trong cơ thể người. Để giải quyết triệt để thách thức trên, giải pháp công nghệ then chốt là thu nhỏ kích thước tiểu phân xuống cấp độ nano hoặc submicro nhằm mở rộng diện tích bề mặt riêng theo công thức toán học thực nghiệm, từ đó thúc đẩy tốc độ phân tán hoạt chất sinh học.

Đề tài tập trung nghiên cứu quy trình tạo hạt ibuprofen ở kích thước nano và submicro bằng kỹ thuật giãn nở nhanh lưu chất siêu tới hạn, đồng thời xác định các điều kiện vận hành tối ưu để thu được sản phẩm có đường kính nhỏ nhất. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại học Quốc gia Công nghệ Hóa học và Dầu khí, Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian 6 tháng của năm 2013.

Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi bám sát định hướng của Quyết định số 61/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về phát triển công nghiệp hóa dược Việt Nam. Kỹ thuật này giúp chuyển đổi kích thước hạt nguyên liệu thô ban đầu từ hàng chục micromet xuống dưới 1 micromet, nâng cao vượt bậc khả năng hòa tan trong nước mà không để lại bất kỳ dư lượng dung môi hữu cơ độc hại nào. Nhờ vậy, liều lượng sử dụng thông thường từ 800 đến 1200 mg mỗi ngày của ibuprofen có thể được tối ưu hóa, giảm thiểu các tác dụng phụ đối với hệ tiêu hóa và tim mạch cho người bệnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của thuyết tạo mầm kết tinh cổ điển và lý thuyết nhiệt động học lưu chất siêu tới hạn. Ba khái niệm cốt lõi chi phối toàn bộ quá trình bao gồm:

Thứ nhất, lưu chất siêu tới hạn là trạng thái vật chất đạt tới khi nhiệt độ và áp suất vượt qua điểm tới hạn nhiệt động. Khí carbonic ở trạng thái siêu tới hạn có nhiệt độ tới hạn là 31,1 độ C và áp suất tới hạn là 72,8 bar, sở hữu đồng thời độ nhớt thấp, hệ số khuếch tán cao như chất khí cùng khả năng hòa tan chất rắn như chất lỏng.

Thứ hai, kỹ thuật giãn nở nhanh của lưu chất siêu tới hạn hoạt động theo nguyên lý hòa tan hoạt chất trong dòng dung môi siêu tới hạn ở áp suất cao, sau đó giảm áp tức thời qua vòi phun chuyên dụng với vận tốc tương đương vận tốc âm thanh về áp suất khí quyển. Sự thay đổi tỷ trọng đột ngột làm dung môi mất hoàn toàn khả năng hòa tan, dẫn đến độ siêu bão hòa cực lớn và kích thích quá trình tạo nhân tinh thể đồng loạt.

Thứ ba, ibuprofen là hoạt chất kháng viêm không steroid thuộc dẫn xuất của acid propionic, có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 75 đến 77 độ C và độ tan trong nước ở điều kiện thường rất thấp, chỉ khoảng 0,021 mg/ml.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng quy hoạch thực nghiệm theo mô hình bề mặt đáp ứng với kế hoạch hóa xoay tâm trực giao nhằm tối ưu hóa 3 yếu tố công nghệ chính: nhiệt độ buồng hòa tan từ 35 đến 55 độ C, áp suất buồng hòa tan từ 90 đến 150 bar, và nhiệt độ đầu vòi phun từ 80 đến 100 độ C.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 18 thí nghiệm độc lập được thực hiện trên hệ thống RESS 100 BASE do hãng Thar Technologies chế tạo. Phương pháp chọn mẫu là phân bổ ngẫu nhiên hóa các điểm thực nghiệm theo ma trận kế hoạch hóa để hạn chế sai số hệ thống và đánh giá chính xác tương tác giữa các biến số.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn có chủ đích bao gồm:

  • Phương pháp tán xạ ánh sáng động học để đo đường kính hạt trung bình và phân bố kích thước hạt nhanh chóng trong môi trường phân tán lỏng.
  • Kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao nhằm trực tiếp quan sát hình thái học bề mặt và kích thước hình học của vi hạt.
  • Phương pháp nhiệt lượng vi sai quét và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier được sử dụng để kiểm tra độ ổn định nhiệt động và đảm bảo cấu trúc hóa học của ibuprofen không bị biến tính hay phân hủy sau quá trình giãn nở.

Toàn bộ quy trình thu thập dữ liệu và phân tích mẫu được tiến hành đồng bộ từ tháng 1 năm 2013 đến cuối tháng 6 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm trên 18 mẫu khảo sát đã ghi nhận các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, kỹ thuật giãn nở siêu tới hạn đã giảm kích thước hạt ibuprofen từ dạng khối thô ban đầu có đường kính từ 20 đến 50 micromet xuống kích thước submicro trung bình dao động từ 0,65 đến 2,50 micromet, tương đương mức giảm kích thước hơn 85% so với nguyên liệu thô ban đầu.

Thứ hai, áp suất hòa tan có tác động mạnh mẽ đến kích thước hạt tạo thành. Khi tăng áp suất hòa tan từ 90 bar lên 150 bar ở nhiệt độ hòa tan 45 độ C, đường kính trung bình của hạt ibuprofen giảm khoảng 32%, từ 1,85 micromet xuống còn 1,25 micromet nhờ tốc độ tạo mầm tinh thể tăng vọt trong môi trường siêu bão hòa cao.

Thứ ba, nhiệt độ vòi phun duy trì trong dải 80 đến 100 độ C đóng vai trò quyết định trong việc hạn chế hiện tượng đóng băng giãn nở nhiệt và chống tắc nghẽn đầu phun. Tại nhiệt độ vòi phun 90 độ C, sản phẩm đạt độ tơi xốp tối đa và phân bố kích thước hạt hẹp nhất với chỉ số đa phân tán đạt dưới 0,28.

Thứ tư, phân tích nhiệt lượng vi sai cho thấy mẫu ibuprofen sau tạo hạt có đỉnh nóng chảy sắc nét ở 75,2 độ C, gần như trùng khớp hoàn toàn với nguyên liệu đối chứng là 76,1 độ C. Đồng thời, phổ hồng ngoại ghi nhận đầy đủ các vân hấp thụ đặc trưng của nhóm carbonyl tại số sóng 1718 cm-1 và nhóm hydroxyl liên kết tại dải 2900 đến 3000 cm-1, khẳng định cấu trúc hóa học không bị biến đổi.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo hạt được giải thích thông qua sự tương tác giữa hiện tượng chuyển pha nhiệt động và động học tạo mầm. Khi hỗn hợp CO2 siêu tới hạn chứa ibuprofen giãn nở nhanh qua vòi phun, áp suất giảm đột ngột từ 120 bar về 1 bar trong khoảng thời gian vài micro giây. Tỷ trọng của CO2 sụt giảm nghiêm trọng làm giảm đột ngột độ tan của ibuprofen, kích hoạt tốc độ tạo mầm tinh thể vượt trội so với tốc độ phát triển tinh thể, giúp tạo ra các tiểu phân kích thước submicro cực mịn.

Dữ liệu thực nghiệm được mô hình hóa trực quan thông qua đồ thị bề mặt đáp ứng 3 chiều và biểu đồ đường mức thể hiện rõ sự tương tác phi tuyến giữa áp suất hòa tan và nhiệt độ vòi phun. Biểu đồ phân bố kích thước hạt từ phép đo tán xạ ánh sáng động học cho thấy dạng phân bố chuẩn đơn đỉnh đồng đều.

So với các nghiên cứu của các tác giả quốc tế trên các hoạt chất kháng viêm khác, kết quả của nghiên cứu này vượt trội hơn về độ sạch do hoàn toàn không sử dụng đồng dung môi hữu cơ độc hại, tạo tiền đề thuận lợi cho việc ứng dụng trực tiếp trong sản xuất dược phẩm tiêu chuẩn cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và mở rộng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất công nghiệp, bốn khuyến nghị trọng tâm được đề xuất:

Thứ nhất, thiết lập quy chuẩn vận hành tối ưu cho hệ thống tạo hạt ở quy mô pilot với các thông số kỹ thuật cố định: áp suất hòa tan từ 120 đến 130 bar, nhiệt độ buồng hòa tan từ 45 đến 48 độ C và nhiệt độ đầu vòi phun duy trì ở mức 90 đến 95 độ C. Mục tiêu kỹ thuật là đạt kích thước hạt ibuprofen ổn định dưới 800 nanomet, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm nghiên cứu kỹ thuật hóa học.

Thứ hai, ứng dụng giải pháp phân tán kết hợp bằng sóng siêu âm công suất 100 W trong thời gian 3 đến 5 phút hoặc bổ sung chất diện hoạt sinh học an toàn như Tween 80 với nồng độ 0,1% nhằm triệt tiêu hoàn toàn lực liên kết tĩnh điện gây kết tụ vi hạt sau khi phun, hoàn thành trước quý IV năm 2027 bởi các chuyên gia bào chế.

Thứ three, đẩy mạnh hợp tác chuyển giao công nghệ giữa các cơ sở nghiên cứu và các doanh nghiệp dược phẩm trong nước như Công ty Cổ phần Dược Hậu Giang nhằm thử nghiệm dập viên nén trực tiếp từ bột nano ibuprofen, rút ngắn thời gian rã và tăng độ hòa tan sinh học lên trên 90% trong giai đoạn 2027 đến 2028.

Thứ tư, kiến nghị Bộ Y tế và Bộ Khoa học và Công nghệ xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia dành riêng cho nguyên liệu dược phẩm kích thước nano được sản xuất bằng công nghệ lưu chất siêu tới hạn, hoàn thiện trong giai đoạn 2027 đến 2029.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung công trình mang giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu, phù hợp với bốn nhóm đối tượng:

Nhóm 1: Các nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Hóa dược và Công nghệ Vật liệu. Tài liệu cung cấp phương pháp luận chặt chẽ về quy hoạch thực nghiệm xoay tâm và cơ sở nhiệt động học của quá trình lưu chất siêu tới hạn.

Nhóm 2: Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các nhà máy sản xuất dược phẩm. Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ nâng cao độ tan cho các hoạt chất thuộc nhóm khó tan trong nước, giúp giảm tỷ lệ tiêu hao nguyên liệu từ 20 đến 35% trong quy trình bào chế.

Nhóm 3: Các chuyên gia công nghệ môi trường và sản xuất sạch hơn. Đây là trường hợp điển hình về ứng dụng hóa học xanh, thay thế hoàn toàn dung môi hữu cơ bằng khí carbonic có thể tái thu hồi đến 95%.

Nhóm 4: Cán bộ quản lý khoa học công nghệ tại các cơ quan hoạch định chính sách y tế và công nghiệp hóa chất, sử dụng làm tài liệu tham khảo thực tiễn để triển khai các chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật RESS mang lại ưu thế gì vượt trội so với các phương pháp nghiền cơ học truyền thống? Phương pháp RESS tạo ra sản phẩm dạng bột khô có độ phân bố kích thước hạt rất hẹp dưới 1 micromet, không sinh nhiệt cục bộ làm biến tính hoạt chất và hoàn toàn không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, loại bỏ triệt để công đoạn tinh chế phức tạp.

Thông số tới hạn của khí carbonic trong nghiên cứu được kiểm soát ở mức nào? Khí carbonic được đưa qua trạng thái siêu tới hạn ở nhiệt độ trên 31,1 độ C và áp suất vượt ngưỡng 72,8 bar. Trong nghiên cứu này, dải áp suất vận hành thực tế được khảo sát từ 90 đến 150 bar nhằm đảm bảo khả năng hòa tan ibuprofen tối ưu.

Cấu trúc hóa học của ibuprofen có bị suy giảm sau khi chịu áp suất và nhiệt độ cao không? Không. Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại và nhiệt lượng vi sai xác nhận hoạt chất giữ nguyên nhiệt độ nóng chảy ở 75,2 độ C cùng toàn bộ các nhóm chức hóa học đặc trưng, chứng minh tính nguyên vẹn dược lý của thuốc.

Làm thế nào để xử lý hiện tượng kết tụ hạt nano ibuprofen sau khi thoát ra khỏi vòi phun? Hiện tượng kết tụ hạt do lực hút bề mặt có thể được xử lý triệt để bằng cách đánh siêu âm trong môi trường phân tán lỏng trong 3 phút hoặc kết hợp bổ sung một lượng nhỏ chất đồng dung môi rắn có thể thăng hoa.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm bề mặt đáp ứng đóng vai trò gì trong đề tài? Mô hình hóa bề mặt đáp ứng giúp thiết lập phương trình hồi quy bậc hai mô tả chính xác tương tác giữa các yếu tố công nghệ, từ đó giảm số lượng thí nghiệm xuống còn 18 điểm mà vẫn xác định được vùng tối ưu toàn cục.

Kết luận

  • Đề tài đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ tạo hạt ibuprofen kích thước nano và submicro bằng hệ thống RESS 100 BASE sử dụng lưu chất carbonic siêu tới hạn.
  • Kích thước hạt sản phẩm giảm mạnh từ hàng chục micromet xuống khoảng 0,65 đến 2,50 micromet với độ phân tán đồng đều và bề mặt hạt tơi xốp.
  • Các phân tích hóa lý hiện đại khẳng định ibuprofen sau quá trình giãn nở không bị biến tính cấu trúc hóa học và giữ vững độ ổn định nhiệt ở 75,2 độ C.
  • Xây dựng thành công phương trình hồi quy bậc hai và xác lập vùng thông số vận hành tối ưu tại áp suất 120 bar, nhiệt độ hòa tan 45 độ C và nhiệt độ vòi phun 90 độ C.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực nghiệm tiên phong, phục vụ đắc lực cho định hướng hiện đại hóa ngành công nghiệp hóa dược Việt Nam theo Quyết định 61/2007/QĐ-TTg.

Trong thời gian 12 tháng tới, nhóm nghiên cứu dự kiến mở rộng thử nghiệm trên hệ thống pilot dung tích 5 đến 10 lít và tiến hành kiểm tra tốc độ hòa tan sinh học in-vitro. Các đơn vị sản xuất dược phẩm quan tâm có thể kết nối ngay với cơ sở nghiên cứu để tiếp nhận chuyển giao công nghệ sản xuất dược phẩm xanh tiên tiến này.