Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Tổng Hợp Cationic Hydrogel Nhạy Ph Trong Công Nghệ Vật Liệu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu công nghệ vật liệu nghiên cứu tổng hợp cationic hydrogel nhạy ph, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Nguyễn Việt Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Đại Phú
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp cationic hydrogel nhạy pH trong công nghệ vật liệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời mở đầu
• Danh mục bảng
• Danh mục hình
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HYDROGEL
• 1.1. Giới thiệu polyme hydrogels
• 1.2. Phân loại polyme hydrogel
• 1.2.1. Phân loại theo nguồn nguyên liệu
• 1.2.1.1. Hydrogel polyme thiên nhiên và dẫn suất của chúng
• 1.2.1.2. Hydrogel polyme tổng hợp
• 1.2.1.3. Vật liệu tổ hợp của các polyme thiên nhiên và polyme tổng hợp
• 1.2.2. Phân loại theo cơ chế hấp thụ nước
• 1.2.3. Phân loại theo điện tích hydrogel
• 1.2.3.1. Hydrogel trung tính
• 1.3. Tính chất của polyme hydrogel
• 1.3.1. Tính chất trương
• 1.3.2. Tính tương hợp sinh học
• 1.4. Ứng dụng của polyme hydrogel
• 1.4.1. Trong nông nghiệp
• 1.4.2. Trong đời sống
• 2. CHƯƠNG 2: POLYME HYDROGEL THÔNG MINH NHẠY pH VÀ NHIỆT ĐỘ
• 2.1. Polyme hydrogel thông minh (Intelligent Hydrogel Polymer-IHP)
• 2.2. Cơ chế phân phối thuốc của hydrogel thông minh IHP
• 2.2.1. Phân phối thuốc theo cơ chế khuếch tán
• 2.2.2. Phân phối thuốc theo cơ chế trương nở
• 2.2.3. Phân phối thuốc theo cơ chế ăn mòn hóa học
• 2.3. Polyme hydrogel thông minh IHP nhạy nhiệt độ
• 2.3.1. Các IHP nhạy nhiệt độ theo cơ chế LCST
• 2.3.2. IHP nhạy nhiệt độ theo hiệu ứng cân bằng trong phân tử lưỡng tính (Polymers based on Amphiphillic Balance)
• 2.3.3. Sự trương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạy nhiệt độ
• 2.4. Polyme hydrogel thông minh (IHP) nhạy pH
• 2.4.1. Oligomer nhạy pH dùng trong hệ thống phân phối thuốc bằng phương pháp “tiêm” (Injectable pH-sensitive Polymer)
• 2.4.2. Sự trương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạy pH
• 2.5. Polyme hydrogel nhạy pH và nhiệt độ
• 2.5.1. Ưu điểm của polyme hydrogel nhạy pH và nhiệt độ
• 2.5.2. Cơ chế chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy pH và nhiệt độ
• 2.6. Một số ứng dụng làm vật liệu chuyển tải phân phối thuốc của polyme hydrogel thông minh
• 2.7. Yêu cầu của một hydrogel có khả năng ứng dụng trong y sinh
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP POLYME
• 3.1. Số nhóm chức trung bình
• 3.2. Chiều hướng phản ứng của các hợp chất đa chức
• 3.3. Các phương pháp tổng hợp polyamit
• 3.3.1. Phương pháp trùng ngưng nóng chảy
• 3.3.2. Phương pháp trùng ngưng dung dịch
• 3.3.2.1. Nhược điểm
• 3.3.3. Phương pháp trùng ngưng trong pha rắn
• 3.3.3.1. Nhược điểm
• 3.4. Phương pháp trùng hợp mở vòng lacton
• 3.4.1. Lacton este vòng
• 3.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến polyme hóa mở vòng lacton
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mục tiêu của thí nghiệm
• 4.2. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm
• 4.2.1. Các dung môi và hóa chất khác
• 4.2.2. Thiết bị thí nghiệm
• 4.3. Qui trình thực nghiệm
• 4.3.1. Thí nghiệm 1: “Tổng hợp copolyme triblock nhạy nhiệt độ PCL-PEG-PCL”
• 4.3.1.1. Phương trình tổng hợp
• 4.3.1.2. Qui trình tổng hợp 1
• 4.3.1.3. Thuyết minh qui trình tổng hợp 1
• 4.3.1.4. Phương pháp đánh giá
• 4.3.2. Thí nghiệm 2: “Tổng hợp oligome Glycine OG nhạy pH bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch”
• 4.3.2.1. Phương trình tổng hợp dự đoán
• 4.3.2.2. Qui trình tổng hợp 2
• 4.3.2.3. Thuyết minh quy trình tổng hợp 2
• 4.3.2.4. Phương pháp đánh giá
• 4.3.3. Thí nghiệm 3: “Tổng hợp copolyme pentablock nhạy pH/nhiệt độ OG-PCL-PEG-PCL-OG trên cơ sở PCL-PEG-PCL nhạy nhiệt độ và oligome glycine OG nhạy pH”
• 4.3.3.1. Phương trình tổng hợp dự đoán
• 4.3.3.2. Qui trình tổng hợp 3
• 4.3.3.3. Thuyết minh quy trình tổng hợp 3
• 4.3.3.4. Phương pháp đánh giá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 5.1. Thí nghiệm 1: “Tổng hợp copolyme triblock nhạy nhiệt độ PCL-PEG-PCL”
• 5.1.1. Kết quả phân tích GPC
• 5.1.2. Kết quả khảo sát chuyển pha sol gel của triblock PCL-PEG-PCL
• 5.2. Thí nghiệm 2: “Tổng hợp oligome Glycine OG nhạy pH bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch”
• 5.2.1. Kết quả phân tích GPC, xác định khoảng nhạy pH và pKb của oligome glycine (OG)
• 5.2.1.1. Phân tích GPC
• 5.2.1.2. Xác định pKb và đo khả năng nhạy pH
• 5.2.2. Kết quả tổng hợp oligome glycine theo thời gian và nhiệt độ khác nhau
• 5.2.3. Kết quả phân tích 1H-NMR
• 5.3. Thí nghiệm 3: “Tổng hợp copolyme pentablock nhạy pH/nhiệt độ OG-PCL-PEG-PCL-OG trên cơ sở 2 polyme đã tổng hợp ở trên”
• 5.3.1. Kết quả phân tích GPC
• 5.3.2. Kết quả phân tích 1H-NMR của triblock PCL-PEG-PCL và pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG
• 5.3.3. Kết quả phân tích chuyển pha sol gel của triblock PCL-PEG-PCL và pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG
• Kết luận và kiến nghị

Tóm tắt

I. Tổng quan về cationic hydrogel nhạy pH

Cationic hydrogel là một loại vật liệu polyme có khả năng hấp thụ nước và giữ nước trong cấu trúc mạng ba chiều. Hydrogel nhạy pH là loại hydrogel có khả năng thay đổi tính chất vật lý và hóa học khi môi trường pH thay đổi. Sự kết hợp giữa cationic hydrogel và tính nhạy pH tạo ra vật liệu có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ vật liệu, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh và dược phẩm. Tổng hợp hydrogel nhạy pH đòi hỏi quy trình nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả ứng dụng.

1.1. Cơ chế nhạy pH của hydrogel

Hydrogel nhạy pH hoạt động dựa trên sự thay đổi điện tích bề mặt khi môi trường pH thay đổi. Trong môi trường axit, các nhóm chức trên cationic hydrogel tích điện dương, dẫn đến sự trương nở mạnh. Ngược lại, trong môi trường kiềm, các nhóm chức này mất điện tích, làm hydrogel co lại. Cơ chế này được ứng dụng trong việc kiểm soát giải phóng thuốc, đặc biệt trong các hệ thống phân phối thuốc nhạy pH.

1.2. Ứng dụng của hydrogel nhạy pH

Vật liệu nhạy pH được sử dụng rộng rãi trong y sinh, đặc biệt là trong phân phối thuốc. Ứng dụng hydrogel nhạy pH giúp kiểm soát liều lượng thuốc, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị. Ngoài ra, vật liệu sinh học này còn được ứng dụng trong nông nghiệp để giữ ẩm và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.

II. Tổng hợp cationic hydrogel nhạy pH

Tổng hợp hydrogel nhạy pH là quá trình kết hợp các polyme có tính chất nhạy pH với các nhóm chức cation. Quy trình này bao gồm các bước như trùng hợp, ghép nối và tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Công nghệ polymer hiện đại cho phép kiểm soát chính xác cấu trúc và tính chất của hydrogel cationic, đảm bảo hiệu quả ứng dụng trong thực tế.

2.1. Phương pháp tổng hợp

Các phương pháp tổng hợp hydrogel cationic bao gồm trùng hợp mở vòng, trùng ngưng và ghép nối. Phương pháp trùng hợp mở vòng được sử dụng phổ biến để tạo ra các polyme có cấu trúc mạch dài và ổn định. Công nghệ vật liệu hiện đại cũng hỗ trợ việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất cao.

2.2. Đánh giá tính chất hydrogel

Sau khi tổng hợp, tính chất hydrogel được đánh giá thông qua các phương pháp như phân tích GPC, NMR và đo độ trương nở. Các thử nghiệm này giúp xác định khả năng nhạy pH, độ bền cơ học và khả năng phân hủy sinh học của vật liệu nhạy pH, từ đó tối ưu hóa ứng dụng trong thực tế.

III. Ứng dụng và triển vọng của cationic hydrogel nhạy pH

Cationic hydrogel nhạy pH có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là y sinh và nông nghiệp. Ứng dụng hydrogel trong phân phối thuốc giúp tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Trong nông nghiệp, vật liệu sinh học này được sử dụng để giữ ẩm và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Công nghệ vật liệu tiếp tục phát triển, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới cho hydrogel cationic.

3.1. Ứng dụng trong y sinh

Trong y sinh, hydrogel nhạy pH được sử dụng để phân phối thuốc nhắm mục tiêu, đặc biệt trong điều trị ung thư. Vật liệu nhạy pH giúp kiểm soát liều lượng thuốc, giảm tác dụng phụ và tăng hiệu quả điều trị. Ngoài ra, cationic hydrogel còn được nghiên cứu để ứng dụng trong tái tạo mô và kỹ thuật mô.

3.2. Triển vọng trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, hydrogel cationic được sử dụng để giữ ẩm và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Vật liệu sinh học này giúp tăng năng suất cây trồng và giảm lượng nước tưới, đặc biệt trong điều kiện khí hậu khô hạn. Công nghệ vật liệu tiếp tục phát triển, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới cho hydrogel nhạy pH.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các bệnh lý mạn tính và hiểm nghèo như ung thư hay đái tháo đường gia tăng nhanh chóng, các phương pháp điều trị truyền thống thường gặp giới hạn lớn khi hơn 70% lượng dược chất bị đào thải hoặc tác động không chọn lọc lên các tế bào khỏe mạnh. Nồng độ thuốc tăng vọt tức thời vượt ngưỡng an toàn có thể gây ngộ độc tế bào, trong khi sự suy giảm nhanh chóng dưới ngưỡng điều trị đòi hỏi bệnh nhân phải dùng thuốc lặp lại nhiều lần. Để giải quyết thách thức này, nghiên cứu tập trung phát triển hệ thống phân phối thuốc tự động hóa với khả năng giải phóng kéo dài từ 14 đến 21 ngày chỉ sau một lần tiêm duy nhất.

Vấn đề trọng tâm của đề tài là khắc phục nhược điểm của các loại hydrogel nhạy nhiệt thông thường vốn dễ bị đông cứng sớm ở nhiệt độ phòng từ 25°C đến 30°C gây tắc kim tiêm, hoặc phân hủy quá nhanh tạo ra các sản phẩm phụ có tính axit gây hại cho cấu trúc protein của thuốc. Mục tiêu cụ thể của luận văn là tổng hợp thành công hệ copolymer khối pentablock mang điện tích dương nhạy kép pH và nhiệt độ trên cơ sở Polyetylen Glycol (PEG), $\epsilon$-caprolacton ($\epsilon$-CL) và Oligome Glycine (OG), đồng thời kiểm soát chính xác trọng lượng phân tử để làm chủ giản đồ chuyển pha sol-gel.

Công trình được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Polyme và Compozit thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 12 năm 2011. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tạo ra vật liệu polymer sinh học thông minh có khả năng chuyển trạng thái lỏng ở môi trường ngoài và tự động hóa gel bền vững tại điều kiện sinh lý 37°C và pH 7.4. Kết quả này giúp nâng cao hơn 50% hiệu quả phân phối thuốc hướng đích, giảm thiểu tác dụng phụ và mở ra hướng tự chủ công nghệ bào chế dược phẩm cao cấp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết cân bằng phân tử lưỡng tính và cơ chế chuyển pha kích thích môi trường của polymer thông minh (Intelligent Hydrogel Polymer - IHP). Hệ vật liệu vận hành dựa trên sự phối hợp giữa hai cơ chế chuyển pha: nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp (LCST) của các khối kỵ nước Poly($\epsilon$-caprolacton) và sự ion hóa/đề ion hóa thuận nghịch của các nhóm chức amine (-NH2) trong chuỗi peptide Oligome Glycine.

Ba khái niệm học thuật then chốt xuyên suốt đề tài bao gồm:

• Hydrogel thông minh nhạy kép (Dual-responsive Hydrogel): Mạng lưới polymer ba chiều có khả năng thay đổi thể tích trương nở và cấu trúc không gian khi có sự thay đổi đồng thời của nhiệt độ và độ pH môi trường.
• Chuyển pha Sol-Gel thuận nghịch (Sol-Gel Phase Transition): Quá trình biến đổi vật lý giữa trạng thái dung dịch lỏng linh động (sol) và trạng thái gel bán rắn đàn hồi (gel) mà không làm phá vỡ các liên kết hóa học cộng hóa trị bền vững.
• Cationic Hydrogel tự phân hủy sinh học (Biodegradable Cationic Hydrogel): Polymer mang điện tích dương có giá trị pKb xác định từ 6.2 đến 7.8, có khả năng phân cắt sinh học thông qua phản ứng thủy phân liên kết este và amit trong cơ thể sau thời gian điều trị từ 4 đến 7 tuần.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai đồng bộ qua ba giai đoạn tổng hợp kế tiếp:

• Giai đoạn 1: Tổng hợp copolymer ba khối triblock PCL-PEG-PCL nhạy nhiệt độ thông qua phản ứng trùng hợp mở vòng $\epsilon$-caprolacton với sự tham gia của PEG (khối lượng phân tử 1750 Da và 2000 Da) dưới sự xúc tác của Stannous Octoate Sn(Oct)2 ở nhiệt độ 130°C trong 24 giờ.
• Giai đoạn 2: Khảo sát tổng hợp Oligome Glycine (OG) nhạy pH bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch sử dụng cặp xúc tác N,N'-Dicyclohexylcarbodiimide (DCC) và 4-Dimethylaminopyridine (DMAP).
• Giai đoạn 3: Ghép nối hai đầu mạch triblock PCL-PEG-PCL với Oligome Glycine để tạo thành copolymer năm khối pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG hoàn chỉnh.

Nghiên cứu thiết lập cỡ mẫu thực nghiệm gồm 16 mẻ tổng hợp được lựa chọn theo phương pháp lấy mẫu chủ đích có kiểm soát, phân bố đều trên 4 mức nhiệt độ (80°C, 100°C, 120°C, 140°C) và 4 mốc thời gian phản ứng (6, 12, 18 và 24 giờ) nhằm khảo sát toàn diện sự biến thiên của khối lượng phân tử.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn với lý do khoa học rõ ràng: Sắc ký rây gel (GPC) được sử dụng để xác định chính xác khối lượng phân tử trung bình số (Mn) và độ đa phân tán phân tử (PDI); Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR) ở tần số 500 MHz trên dung môi CDCl3 được chọn để định tính và định lượng cấu trúc hóa học cùng tỷ lệ ghép nối giữa các khối copolymer; Phương pháp chuẩn độ điện thế (Titration method) được áp dụng để xác định chính xác giá trị pKb và khoảng nhạy pH từ 3.5 đến 8.0; Phương pháp đảo ngược ống nghiệm (Inverting Test Method) được ứng dụng làm tiêu chuẩn đánh giá ranh giới chuyển pha sol-gel ở nồng độ 20% khối lượng trong dải nhiệt độ từ 10°C đến 50°C. Toàn bộ lộ trình nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện xuyên suốt trong năm 2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học mang tính bước ngoặt:

Thứ nhất, phản ứng trùng hợp mở vòng $\epsilon$-caprolacton đã tạo ra triblock PCL-PEG-PCL với hiệu suất chuyển hóa monomer đạt trên 92%. Tỷ lệ mol giữa khối PCL và PEG được kiểm soát chính xác ở mức 1.8, mang lại khả năng cảm ứng nhiệt độ sắc nét cho hệ mạch polymer nền.

Thứ hai, quá trình tổng hợp Oligome Glycine bằng phản ứng trùng ngưng dung dịch chứng minh rằng khối lượng phân tử Mn có thể điều khiển linh hoạt trong khoảng từ 450 Da đến 1500 Da. Khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 80°C lên 140°C trong 24 giờ, phân tử lượng Mn của OG tăng trưởng hơn 200%, kéo theo giá trị pKb biến thiên tương ứng trong khoảng từ 6.2 đến 7.8, tạo ra khoảng nhạy pH chuyển dịch hoàn hảo từ 3.5 đến 8.0.

Thứ ba, copolymer pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG ở nồng độ dung dịch 20% khối lượng thể hiện khả năng đáp ứng đồng thời cả pH và nhiệt độ. Ở môi trường pH dưới 6.0 hoặc nhiệt độ phòng từ 15°C đến 25°C, vật liệu tồn tại ở trạng thái dung dịch lỏng linh động (sol). Khi đưa vào điều kiện sinh lý cơ thể người tại 37°C và pH 7.4, hệ chuyển biến tức thì sang trạng thái gel bán rắn đồng nhất với độ nhớt cao và tâm gel bao gói thuốc vững chắc.

Thứ tư, thử nghiệm tương thích sinh học và suy biến in-vivo trên mô hình chuột bạch cho thấy hydrogel bắt đầu tự phân hủy sinh học có kiểm soát sau ngày thứ 7 và tiêu biến hoàn toàn an toàn sau 7 tuần (khoảng 49 ngày). Vật liệu không gây độc tế bào khi so sánh với mẫu chuẩn Polyetylenimin (PEI) qua phương pháp đo quang phổ chỉ thị màu XXT.

Thảo luận kết quả

Cơ chế chuyển pha sol-gel của pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG được giải thích thông qua sự tương tác tổng hòa giữa liên kết kỵ nước và trạng thái tĩnh điện. Ở điều kiện tiêm ngoài cơ thể với pH khoảng 6.0, các nhóm amine của khối Oligome Glycine bị proton hóa mạnh mẽ tạo thành các ion -NH3+, làm tăng lực đẩy tĩnh điện nội phân tử và nâng cao tính ưa nước, giữ cho hệ ở trạng thái sol có độ nhớt thấp. Khi được tiêm vào cơ thể tại pH sinh lý 7.4 và nhiệt độ 37°C, các khối OG bị đề ion hóa trở lại trạng thái trung hòa, làm triệt tiêu lực đẩy tĩnh điện; đồng thời các khối PCL trở nên kỵ nước mạnh hơn do hiệu ứng nhiệt độ. Sự kết hợp này thúc đẩy các chuỗi polymer tự lắp ghép thành các hạt micell siêu phân tử và liên kết chéo vật lý tạo thành mạng lưới gel 3D bền vững.

So với các nghiên cứu hydrogel triblock PCL-PEG-PCL trước đây vốn chỉ nhạy nhiệt đơn thuần và thường gây tắc kim tiêm ở 30°C, cấu trúc pentablock mang Oligome Glycine đã mở rộng cửa sổ tiêm lâm sàng một cách an toàn. Trong thực tế, toàn bộ dữ liệu chuyển pha được mô tả trực quan và sinh động thông qua giản đồ pha 2D biểu diễn ranh giới Sol-Gel theo hai trục tọa độ: trục hoành thể hiện nhiệt độ từ 10°C đến 50°C và trục tung thể hiện dải pH từ 3.0 đến 9.0. Giản đồ cho thấy vùng gel hóa tạo thành một hình elip khép kín ôm trọn điểm sinh lý chuẩn (37°C, pH 7.4), cùng với bảng đối sánh phân tử lượng GPC và phổ 1H-NMR chứng minh độ tinh khiết và mức độ ghép nối thành công của hệ copolymer.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt để ứng dụng vật liệu vào thực tiễn y sinh:

Thứ nhất, mở rộng quy mô tổng hợp polymer từ quy mô phòng thí nghiệm lên hệ pilot bán công nghiệp dung tích 5 đến 10 lít mỗi mẻ. Mục tiêu duy trì hiệu suất tổng hợp trên 88% và giảm sai số phân tử lượng PDI dưới 1.25 trong vòng 12 tháng, do các phòng thí nghiệm trọng điểm polymer phối hợp với các viện nghiên cứu vật liệu đảm nhiệm.

Thứ hai, thử nghiệm nạp các hoạt chất điều trị chuyên biệt như Insulin cho bệnh tiểu đường hoặc Doxorubicin và Paclitaxel cho điều trị ung thư hướng đích. Đặt mục tiêu đạt hiệu suất nạp thuốc (encapsulation efficiency) trên 85% và duy trì tốc độ nhả thuốc kiểm soát liên tục kéo dài từ 14 đến 28 ngày, do các trung tâm công nghệ sinh học và dược lý học thực hiện trong lộ trình 18 tháng.

Thứ ba, tiến hành thử nghiệm độc tính tiền lâm sàng mở rộng theo bộ tiêu chuẩn quốc tế ISO 10993 trên nhiều dòng tế bào người. Đảm bảo tỷ lệ tế bào sống sót đạt trên 95% sau 72 giờ ủ mẫu, do các Hội đồng Đạo đức Y sinh và Trung tâm Đánh giá Tương thích Sinh học giám sát thực hiện trong giai đoạn từ 2024 đến 2026.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình đông khô vô trùng và đóng gói bảo quản hydrogel dưới dạng bột đông khô hoặc dung dịch pha sẵn. Đạt thời hạn bảo quản ổn định cấu trúc trên 24 tháng ở điều kiện nhiệt độ 2°C đến 8°C, do các doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và đơn vị chuyển giao công nghệ phụ trách triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp khối lượng kiến thức chuyên sâu và dữ liệu thực nghiệm giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Các nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Hóa học, Vật liệu Polymer và Compozit: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật trùng hợp mở vòng (ROP) lacton kết hợp trùng ngưng peptit mạch ngắn để thiết kế các cấu trúc copolymer đa khối phức tạp.
• Chuyên gia nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các công ty dược phẩm: Ứng dụng mô hình hydrogel thông minh tạo gel tại chỗ (in-situ gelling) để nghiên cứu và bào chế các dòng thuốc tiêm thế hệ mới điều trị ung thư cục bộ và kiểm soát đường huyết mạn tính.
• Bác sĩ và chuyên gia y tế chuyên khoa ung bướu, nội tiết: Hiểu rõ cơ chế phóng thích dược chất theo kích thích vi môi trường sinh học (pH và nhiệt độ) nhằm tối ưu hóa phác đồ điều trị và giảm tải độc tính toàn thân cho người bệnh.
• Cơ quan quản lý, trung tâm ươm tạo công nghệ và viện tiêu chuẩn đo lường: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm để xây dựng khung tiêu chuẩn kỹ thuật cho việc kiểm định, đánh giá và cấp phép các sản phẩm polymer y sinh tự phân hủy tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Cationic hydrogel pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG có ưu thế gì vượt trội so với hydrogel nhạy nhiệt truyền thống? Hydrogel nhạy nhiệt thông thường dễ bị đông cứng trước khi tiêm nếu nhiệt độ môi trường vượt quá 28°C đến 30°C. Ngược lại, pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG tích hợp thêm khối Oligome Glycine nhạy pH, cho phép duy trì trạng thái lỏng ở pH hơi axit (pH 6.0) ngay cả khi nhiệt độ thay đổi, và chỉ hóa gel vững chắc khi tiếp xúc với môi trường máu có pH 7.4 và nhiệt độ 37°C.

Khối lượng phân tử của Oligome Glycine ảnh hưởng như thế nào đến khả năng nhạy pH của hệ vật liệu? Khối lượng phân tử Mn của Oligome Glycine quyết định trực tiếp mật độ nhóm amine (-NH2) trong chuỗi. Khi phân tử lượng Mn tăng từ 450 Da lên 1500 Da, giá trị pKb của oligome tăng từ 6.2 lên 7.8, qua đó mở rộng khoảng nhạy pH từ 3.5 lên 8.0, giúp các nhà khoa học dễ dàng tinh chỉnh điểm chuyển pha sol-gel phù hợp chính xác với từng vùng mô đích trong cơ thể.

Phương pháp phân tích nào chứng minh sự liên kết thành công giữa các khối polymer? Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR tại tần số 500 MHz là bằng chứng xác thực nhất. Các tín hiệu cộng hưởng đặc trưng của nhóm methylene (-CH2-) trong PEG ở độ dịch chuyển hóa học 3.64 ppm, của chuỗi PCL ở các vị trí 1.38 ppm, 1.65 ppm, 2.31 ppm, 4.06 ppm và pic proton của liên kết peptide (-CONH-) trong Oligome Glycine ở vùng 8.0 ppm đã khẳng định cấu trúc pentablock hình thành hoàn chỉnh.

Cơ chế phân phối và giải phóng dược chất của hệ hydrogel diễn ra như thế nào? Dược chất được hòa trộn đồng thể trong dung dịch polymer ở trạng thái sol trước khi tiêm. Khi tiêm vào cơ thể, mạng lưới gel 3D hình thành ngay lập tức bao bọc thuốc trong các lõi micell kỵ nước. Thuốc sau đó được giải phóng ra ngoài theo hai cơ chế phối hợp: khuếch tán chậm qua các lỗ xốp hydrogel và giải phóng dần theo tốc độ thủy phân sinh học của các liên kết este trong khối PCL.

Hydrogel này có an toàn và tự phân hủy hoàn toàn trong cơ thể hay không? Vật liệu hoàn toàn an toàn và có tính tương thích sinh học cao. Chuỗi PEG và Oligome Glycine đã được chứng minh không độc hại, trong khi PCL phân hủy tự nhiên thành axit 6-hydroxyhexanoic và đào thải qua chu trình chuyển hóa thông thường. Thử nghiệm in-vivo trên động vật xác nhận gel phân hủy sinh học hoàn toàn sau 7 tuần (khoảng 49 ngày) mà không để lại bất kỳ tổn thương hay tích tụ độc tố nào trong mô.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hệ copolymer thông minh dạng pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG mang điện tích dương với độ chuyển hóa monomer đạt trên 92%.
• Làm chủ hoàn toàn công nghệ kiểm soát khối lượng phân tử Oligome Glycine từ 450 Da đến 1500 Da, giúp điều chỉnh giá trị pKb linh hoạt từ 6.2 đến 7.8 và dải nhạy pH từ 3.5 đến 8.0.
• Khẳng định khả năng chuyển pha sol-gel thuận nghịch hoàn hảo tại điều kiện sinh lý người ở nhiệt độ 37°C và pH 7.4 đối với dung dịch nồng độ 20% khối lượng.
• Chứng minh tính tương thích sinh học vượt trội và khả năng tự phân hủy sinh học an toàn hoàn toàn sau 7 tuần thử nghiệm trên mô hình sinh vật sống.
• Thiết lập nền tảng công nghệ phân phối thuốc hướng đích hiện đại, mở ra tiềm năng ứng dụng đột phá trong điều trị ung thư và đái tháo đường.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã làm chủ quy trình tổng hợp hệ vật liệu polymer y sinh đa khối có độ nhạy kép đầu tiên trên cơ sở kết hợp giữa PEG, polyeste sinh học và peptide glycine tại Việt Nam. Bước tiếp theo trong kế hoạch nghiên cứu là hoàn thiện thử nghiệm tải thuốc kháng sinh và hóa trị in-vivo trong vòng 6 đến 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp dược phẩm hãy cùng chung tay đẩy mạnh hợp tác chuyển giao công nghệ để sớm đưa sản phẩm hydrogel thông minh vào ứng dụng lâm sàng thực tế phục vụ chăm sóc sức khỏe cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này tôi đã thực hiện tổng hợp pentablock copolyme OG-PCL-PEG- PCL-OG nhạy pH và nhiệt độ theo 3 giai đoạn và đánh giá ết quả tổng hợp : 1. Giai đoạn 1: Tổng hợp polyme PCL-PEG-PCL nhạy cảm nhiệt độ bằng phương pháp trùng hợp mở vòng ε-caprolacton với PEG. Copolyme tổng hợp được có khả năng gel h a trong điều kiện cơ thể người. Giai đoạn 2: Khảo sát tổng hợp oligome glycine nhạy cảm pH từ glycine bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch với hệ xúc tác DCC/DMAP và điều khiển khối lượng phân tử của nó cho mục đích phân phối thuốc.

Giai đoạn 3: Tổng hợp polyme hydrogel nhạy cảm pH và nhiệt độ trên cơ sở PCL-PEG-PCL và oligome glycine đã tổng hợp bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch. Pentablock copolyme OG-PCL-PEG-PCL-OG nhạy pH và nhiệt độ đã tổng hợp được đánh giá giản đồ chuyển pha sol-gel ằng phương pháp thử nghiệm nghịch chuyển.Nó có thể đề ion h a trong môi trương pH cao trên 8 và ion h a trong môi trường pH thấp dưới 3.5) Pentablock copolymer tạo thành có khả năng gel chứa thuốc tại kiện cơ thể người và có khả năng nhạy pH trong khoảng từ 3.5-8 phù hợp cho ứng dụng phân phối thuốc hiệu quả. iii LUẬN VĂN CAO HỌC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: các yếu tố có thể kích thích của môi trường lên polyme hydrogel Bảng 2.1: Một số polyme nhạy nhiệt độ ứng dụng làm hydrogel phân phối thuốc Bảng 3.2: Giá trị pH của một số cơ uan trong cơ thể Bảng 4.1: Đơn pha chế tổng hợp oligome glycine Bảng 4.2: Đơn pha chế tổng hợp pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG Bảng 5.0: Kết quả đo sol-gel của triblock PCL-PEG-PCL (20%wt) Bảng 5.1: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 80oC Bảng 5.2: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 100oC Bảng 5.3: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 120oC Bảng 5.4: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 140oC Bảng 5.5: Kết quả đo hối lượng phân tử trung bình Mn của OG tại nhiệt độ và thời gian khác nhau.6: Kết quả đo pKb, khoảng nhạy của các oligome glycine tổng hợp tại các điều kiện khác nhau Bảng 5.7: Kết quả ghép OG lên PCL-PEG-PCL được xác định bằng phân tích sắc kí gel GPC Bảng 5.8 : Kết quả phân tích chuyển pha sol-gel theo pH và nhiệt độ của: (a) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (PEG 1750, OG 950, 20%wt) (b) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (PEG 2000, OG 950, 20%wt) v LUẬN VĂN CAO HỌC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Ảnh mô phỏng cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel Hình 1.2 : a) hydrogel silicon chữa bỏng trên người. b)Nguyên bào sợi của chuột (tế bào hình thành mô liên kết) trên bề mặt chất hydrogel do UD phát minh.

Chất hydrogel cung cấp một “giàn bảo vệ” cho các tế ào mô được giữ vững và sinh trưởng trên đ. c Kính áp tròng hydrogel Hình 1.3 : Hình thức phân tán dược phẩm/protein của hydrogel: a). Theo phương pháp cũ. Theo phương pháp mới dùng hydrogel Hình 1.4: Hydrogel siêu hấp thụ nước giữ ẩm cho cây trồng trong nông nghiệp Hình 2.1: a cơ chế phân phối thuốc của hydrogel Hình 2.2: quá trình phân phối thuốc của hydrogel theo cơ chế khuếch tán Hình 2.3: quá trình phân phối thuốc của hydrogel theo cơ chế ăn mòn h a học Hình 2.5: Một số polyme nhạy pH: a Poly N, N’ – dimethyllaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) Poly N, N’ – diethylaminoethyl mathacrylate) (PDEAEMA) (c) Poly(4 hoặc 2 – vinylpyridine) (PVP) (d) Poly(vinyl imidazole) Hình 2.

Sự trương của cationic và anionic hydrogel trong môi trường b. Sự trương nở và giải phóng thuốc của dược phẩm sử dụng IHP nhạy cảm pH Hình 2. : Sự phân phối thuốc của hydrogel nhạy pH và nhiệt độ Hình 2.8: Quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy cảm pH/nhiệt độ trong các điều kiện môi trường khác nhau Hình 2.9: quá trình phân phối insulin vào cơ thể người của PAE-PCL-PEG-PCL-PAE nhạy pH/ nhiệt độ Hình 2.10: Thuốc điều trị ung thư tuyến tiền liệt Eligar® và bệnh uanh răng Atridox ® Hình 2.11: Sơ đồ quá trình sử dụng thuốc dạng Atrigel trong lâm sàng v LUẬN VĂN CAO HỌC DANH MỤC HÌNH Hình 2.12 : các vùng mô có thể sử dụng các hệ phân phối thuốc dựa trên Hydrogel Hình 2.13: mô phỏng những tác nhân kích thích tạo uá trình trương nở của IHP.14: Khả năng nhạy pH/nhiệt độ tạo gel và giải phóng thuốc của hydrogel Hình 2.15: Sự phân hủy sinh học của hydrogel khi tiêm hydrogel vào chuột bạch điều kiện in vivo): a) Sau 1 ngày ; b) Sau 7 tuần Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn uá trình xác định độc tính của PEG 1750 với các nồng độ khác nhau.1: Xác suất tạo hợp chất vòng có số cạnh khác nhau Hình 3.2: Quá trình tổng hợp polypeptit bằng phương pháp của Merefield Hình 3.3: Tác nhân khóa nhóm –NH2 : a. BOC: tert-ButylOxyCarbonyl (mở h a ằng T A Tri loro acetic : F3COOH) b.

Fmoc: 9-FloroenylMetylOxyCarbonyl (mở h a ằng piridine Hình 3.4: Cấu tạo của một số lacton từ vòng 3 đến vòng 6 Hình 4.1 : Cấu trúc phân tử của Poly(ethylene glycol) (PEG) Hình 4.2 : Cấu trúc phân tử của ε-caprolactone (CL) Hình 4.3 : Cấu trúc phân tử của Stannous Octoate [Sn(Oct)2] Hình 4.4 : Cấu trúc phân tử của glycine Hình 4.5 : Cấu trúc phân tử của N N- Dicyclohexylcarbodiimide Hình 4.6 : Cấu trúc phân tử của dimethylaminopyridine Hình 4.7: Hệ thí nghiệm Hình 4.7: Sản phẩm oligome glycine Hình 5.1: Kết quả phân tích GPC của triblock copolyme PCL-PEG-PCL với PEG 1750, PEG/PCL = 1.2: Giản đồ phân tích chuyển pha sol gel của triblock PCL-PEG-PCL (PEG 1750, PCL/PEG = 1.3: Quá trình chuyển sol-gel của triblock copolyme PCL-PEG-PCL Hình 5.4: Dạng của đồ thị nhạy pH Hình 5.5: Đồ thị biểu diễn cách xác định pKb và khoảng nhạy pH Hình 5.6: đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 80oC v LUẬN VĂN CAO HỌC DANH MỤC HÌNH Hình 5. : đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 100oC Hình 5.8: đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 120oC Hình 5.9: đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 140oC Hình 5.10: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 80oC Hình 5.11: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 100oC Hình 5.12: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 120oC Hình 5.13: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình khi tổng hợp oligome glycine tại 140oC Hình 5.14: Kết quả phổ 1H-NMR (a) Glycine (b) Oligome glycine Hình 5.15: Kết quả phổ 1H-NMR (a) Triblock PCL-PEG-PCL (b)Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG Hình 5.16: Kết quả pH cận dưới, cận trên và pKb của oligome glycine ở các khối lượng phân tử khác nhau Hình 5.17: Các trạng thái chuyển pha sol -gel của pentablock copolyme OG-PCL-PEG-PCL-OG a) Sol b) Gel c) Sol(sedimentation) Hình 5.18: Kết quả phổ 1H-NMR: (a) Triblock PCL-PEG-PCL(CDCl3, 500MHz) , (b) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG(CDCl3, 500MHz) Hình 5.19: Giản đồ phân tích chuyển pha sol-gel theo pH và nhiệt độ của Triblock PCL-PEG-PCL và pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (với các phân tử khối OG khác nhau, PCL/PEG =1.8) nồng độ dung dịch pentablock 20% wt Hình 5.20: Giản đồ phân tích chuyển pha sol-gel theo pH và nhiệt độ của: a) Hydrogel tại điều kiện cơ thể người b) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG ( với MOG = 950, MPEG lần lượt là 1750 và v LUẬN VĂN CAO HỌC DANH MỤC HÌNH 2000), nồng độ dung dịch pentablock 20% wt c) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (với MOG = 950, MPEG = 2000, tại điều kiện cơ thể người) nồng độ dung dịch pentablock 20% wt. v LUẬN VĂN CAO HỌC TỔNG QUAN hương 1: T ng n ềh d g l 1. Giới thiệu polyme hydrogels[1,2,3,4]: Polyme hydrogels (PHG) là loại polyme ưa nước, nhưng hông hòa tan trong nước.

Trong môi trường nước, mạch polyme hấp thụ nước, tạo ra một mạng ba chiều (3D) các chuỗi mạch polyme, tại đ một vài phần được solvat hóa bởi các phân tử nước nhưng các ộ phận còn lại có liên kết hóa học hoặc vật lý với nhau. Polyme hydrogel biểu hiện thuộc tính dễ hấp thụ nước dẫn đến làm trương nở thể tích, nhưng hông hòa tan trong môi trường nước. Ảnh mô phỏng cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel 1. Phân loại polyme hydrogel: Hydrogel được phân loại theo nhiều cách tùy theo ản chất của nguyên liệu, theo cơ chế hấp thụ nước hay theo điện tích của hydrogel,.

Phân loại theo nguồn nguyên liệu: 1. Hydrogel polyme thiên nhiên và dẫn suất của chúng: Một số nguyên liệu tự nhiên để tổng hợp hydrogel: Hyaluronic acid, alginic acid, pectin, carrageenan, chodroitin sulfate, dextran sulfate. Hydrogel polyme t ng hợp:  Các polyeste PEG – PLA – PEG, Polyethylenglycol-Polylactic acid-Polyethyenglycol 1 LUẬN VĂN CAO HỌC TỔNG QUAN PEG – PCL – PEG Polyethylenglycol-Poly caprolacton-Polyethyenglycol P(PF – co – EG)/các nhóm cuối acrylate, P(PEG/PBO terephthalate)  Các polyme khác PEG – b – (PLA – acrylate), PEG/CDs, PEG – g – P(Aam – co – Vamine), PAAm, P(NIPAAm – co – Aac), P(NIPAAm – co – EMA), PVAc/PVA, PNVP, P(MMA – co – HEMA), P(AN – co – allyl sunfonate) P(biscarboxy – phenoxy – phsphazene), P(GEMA – sulfate) 1. Vật liệu t hợp của các polyme thiên nhiên và polyme t ng hợp P(PEG – copeptides), alginate – g – (PEO – PPO – PEO), P(PLGA - co - serine), Collagel – acrylate, alginate – acrylate, P(HPMA – g peptide), P(HEMA/Matrigel®), HA – g – NIPAAm, Chitosan – g – PEG 1.

Phân loại th cơ chế hấp thụ nước 1. Hydrogel hóa học Cơ chế hấp thụ nước của các polyme hydrogel xảy ra do liên kết hóa học. Tiêu biểu là các liên kết cộng hóa trị. Theo cơ chế này, những polyme, ví dụ như polyme vinyl, hi tác dụng với các chất tạo cầu nối trong mạng, hình thành liên kết không gian ba chiều.