Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hydrogel nhạy cảm nhiệt từ polyme y sinh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ vật liệu nghiên cứu tổng hợp polyme y sinh từ peg d llactic và caprolacton để lám, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Lê Văn Ty
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Đại Phú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Polyme Y Sinh Từ PEG; D,L-Lactic Và ε-Caprolacton Để Làm Hydrogel Nhạy Cảm Nhiệt Dùng Trong Y Sinh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Trang bìa
• Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
• Lời cảm ơn
• Lời mở đầu
• Danh mục các hình vẽ
• Danh mục các bảng biểu
• Tóm tắt luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quát về hydrogel
• 1.1.1. Khái niệm và phân loại
• 1.1.2. Tính chất của hydrogel
• 1.1.3. Phương pháp tổng hợp hydrogel
• 1.1.4. Hydrogel nhạy cảm môi trường
• 1.1.4.1. Hydrogel nhạy cảm nhiệt
• 1.1.4.2. Hydrogel nhạy cảm pH
• 1.1.4.3. Hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH
• 1.1.4.4. Hydrogel nhạy cảm glucose
• 1.1.4.5. Hydrogel phân hủy sinh học
• 1.1.5. Ứng dụng của một số hydrogel trong Y dược
• 1.1.5.1. Hệ thống vận chuyển và phân phối dược phẩm/protein
• 1.1.5.2. Cơ chế phân tán dược phẩm /protein của hydrogel
• 1.1.5.3. Hydrogel ứng dụng trong hệ vận chuyển phân tán thuốc qua dạng uống
• 1.1.5.4. Hydrogel ứng dụng trong hệ vận chuyển phân tán thuốc qua dạng cấy ghép và tiêm
• 1.2. Copolymer hydrogel nhạy cảm nhiệt độ PCLA-PEG-PCLA
• 1.2.1. Giới thiệu copolymer PCLA-PEG-PCLA
• 1.2.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.2.3. Tính chất nhạy cảm nhiệt độ
• 1.2.4. Tính chất phân hủy sinh học
• 1.2.5. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm
• 2.1.1. Các dung môi và hóa chất khác
• 2.1.2. Thiết bị thí nghiệm
• 2.2. Qui trình thực nghiệm
• 2.2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp
• 2.2.2. Diễn giải quy trình tổng hợp
• 2.3. Phương pháp đánh giá thực nghiệm
• 2.3.1. Phân tích 1H-NMR
• 2.3.2. Phân tích GPC
• 2.3.3. Khảo sát quá trình chuyển pha sol-gel của triblock copolymer
• 2.3.4. Khảo sát khả năng phân hủy sinh học theo In Vitro
• 2.3.5. Khảo sát khả năng phân hủy sinh học theo In Vivo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc điểm cấu trúc của copolymer hydrogel PCLA-PEG-PCLA
• 3.1.1. Kết quả phân tích GPC
• 3.1.2. Kết quả phân tích 1H-NMR
• 3.2. Giản đồ trạng thái pha sol-gel của triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA
• 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển pha sol-gel của copolymer hydrogel PCLA-PEG-PCLA
• 3.3.1. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PEG
• 3.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ ưa nước/ kỵ nước PCLA/PEG
• 3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ copolymer hydrogel PCLA-PEG-PCLA
• 3.4. Khảo sát khả năng phân hủy sinh học theo phương pháp In Vitro
• 3.5. Khảo sát khả năng phân hủy sinh học theo In Vivo
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hydrogel

Hydrogel là một loại vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước cao, tạo thành cấu trúc mạng lưới ba chiều. Chúng có thể giữ lại một lượng lớn nước mà không hòa tan, nhờ vào tính chất ưa nước của chuỗi polymer. Hydrogel được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên nguồn gốc, độ trương, và phương pháp tổng hợp. Các hydrogel tự nhiên như protein và polysaccharide có khả năng phân hủy sinh học tốt, trong khi hydrogel tổng hợp dễ dàng tạo liên kết ngang và có tính chất đa dạng. Hydrogel nhạy cảm với môi trường, như nhiệt độ và pH, đang được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng trong y dược, đặc biệt là trong hệ thống vận chuyển và phân phối dược phẩm.

1.1 Khái niệm và phân loại

Hydrogel có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Một số tiêu chí bao gồm nguồn gốc (tự nhiên hoặc tổng hợp), độ trương (độ trương thấp, trung bình, cao), và khả năng phân hủy sinh học. Hydrogel tự nhiên thường có khả năng phân hủy sinh học tốt hơn, trong khi hydrogel tổng hợp có thể được điều chỉnh để có các tính chất mong muốn. Việc phân loại hydrogel giúp xác định ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau, từ y dược đến công nghiệp.

II. Tổng hợp polyme y sinh nhạy cảm nhiệt

Quá trình tổng hợp polyme y sinh nhạy cảm nhiệt từ polyethylene glycol (PEG), D,L-lactide và ε-caprolactone được thực hiện thông qua phản ứng polymer hóa mở vòng. Các yếu tố như khối lượng phân tử của PEG, tỷ lệ PCLA/PEG và nồng độ dung dịch copolymer ảnh hưởng đến quá trình chuyển pha sol-gel. Kết quả cho thấy rằng, trong môi trường cơ thể (pH 7.4 và 37°C), dung dịch copolymer 25%wt của triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA tồn tại ở trạng thái gel, cho thấy khả năng ứng dụng trong y sinh.

2.1 Phương pháp tổng hợp

Phương pháp tổng hợp polyme y sinh nhạy cảm nhiệt bao gồm việc sử dụng các monomer như PEG, D,L-lactide và ε-caprolactone. Quá trình polymer hóa mở vòng cho phép tạo ra các copolymer với cấu trúc mong muốn. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ các thành phần sẽ ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của hydrogel. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được các tính chất lý tưởng cho ứng dụng trong y sinh.

III. Tính chất và ứng dụng của hydrogel nhạy cảm nhiệt

Hydrogel nhạy cảm nhiệt có khả năng chuyển đổi giữa trạng thái sol và gel tùy thuộc vào nhiệt độ. Tính chất này cho phép chúng được sử dụng trong các hệ thống vận chuyển dược phẩm, nơi mà việc kiểm soát tốc độ giải phóng thuốc là rất quan trọng. Các nghiên cứu cho thấy rằng hydrogel này có thể giữ lại dược phẩm và giải phóng chúng một cách có kiểm soát khi nhiệt độ thay đổi. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các phương pháp điều trị mới trong y học.

3.1 Ứng dụng trong y học

Hydrogel nhạy cảm nhiệt được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y học, đặc biệt là trong hệ thống vận chuyển và phân phối dược phẩm. Chúng có thể được sử dụng để tiêm dưới da, nơi mà chúng sẽ chuyển từ trạng thái sol sang gel, giúp giữ lại dược phẩm và giải phóng chúng từ từ vào cơ thể. Điều này không chỉ cải thiện hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu tác dụng phụ. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc tối ưu hóa các tính chất của hydrogel để phục vụ cho các ứng dụng lâm sàng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực phân phối dược phẩm hiện đại, trên 60% bệnh nhân sử dụng các phác đồ tiêm truyền truyền thống phải đối mặt với hiện tượng dao động nồng độ thuốc quá mức, trong đó nồng độ đỉnh trong huyết thanh vượt ngưỡng dung nạp an toàn gây ra độc tính tế bào, tiếp theo là sự sụt giảm nhanh chóng xuống dưới nồng độ trị liệu hiệu dụng. Nhằm khắc phục hạn chế này, nghiên cứu tập trung vào bài toán tổng hợp vật liệu hydrogel thông minh có khả năng tự tạo gel tại chỗ (in-situ forming hydrogel) nhằm bảo vệ và kiểm soát tốc độ giải phóng các hoạt chất sinh học, protein và peptide.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là tổng hợp thành công copolymer ba khối (triblock copolymer) phân hủy sinh học nhạy cảm nhiệt độ PCLA-PEG-PCLA từ các tiền chất poly(ethylene glycol) (PEG), D,L-lactide (LA) và ε-caprolactone (CL); đồng thời khảo sát quy luật chuyển pha sol-gel và đánh giá động học phân hủy sinh học trong điều kiện mô phỏng sinh lý. Nghiên cứu được thực hiện 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.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc thiết lập công thức dung dịch polymer nồng độ 25% khối lượng có độ nhớt thấp ở nhiệt độ phòng (20°C - 25°C), dễ dàng tiêm qua kim y tế thông thường và nhanh chóng đông tụ thành khối gel bền vững ở nhiệt độ thân nhiệt 37°C tại pH 7.4. Kết quả mở ra giải pháp phân phối thuốc duy trì liên tục suốt 14 tuần, giúp giảm tần suất tiêm tới 75%, nâng cao độ an toàn sinh học và tối ưu hóa hiệu quả điều trị cho các bệnh lý mãn tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba khung lý thuyết và mô hình khoa học cốt lõi:

• Thuyết trùng hợp mở vòng (Ring-Opening Polymerization - ROP): Giải thích cơ chế tổng hợp polyester béo mạch thẳng từ các monome este vòng dưới sự kích động của nhóm hydroxyl cuối mạch PEG kết hợp xúc tác cơ kim stannous octoate Sn(Oct)2.
• Thuyết chuyển pha micelle cảm ứng nhiệt (Thermoreversible Micellization): Mô tả sự biến đổi cấu trúc không gian ba chiều từ trạng thái dung dịch lỏng (sol) sang cấu trúc gel mạng lưới do sự cạnh tranh giữa liên kết hydro ưa nước và tương tác kỵ nước giữa các khối polymer khi nhiệt độ tăng qua điểm nhiệt độ hòa tan tới hạn dưới (LCST).
• Mô hình khuếch tán Fick và động học ăn mòn sinh học: Giải thích cơ chế giải phóng hoạt chất từ mạng lưới hydrogel thông qua hai quá trình song hành: khuếch tán phân tử qua lỗ xốp và thủy phân cắt mạch ester giải phóng khối nền.

Các khái niệm chính định hướng toàn bộ nội dung gồm: Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA mang cấu trúc đối xứng với lõi ưa nước PEG và hai đầu kỵ nước PCLA; Điểm chuyển pha nhiệt độ sol-gel; Khả năng phân hủy sinh học in vitro và tương thích mô in vivo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập từ quy trình tổng hợp hóa học và thử nghiệm sinh học nghiêm ngặt:

• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: 8 mẫu copolymer (ký hiệu từ M1 đến M8) được chọn theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm có chủ đích. Các biến số khảo sát bao gồm khối lượng phân tử của PEG (1500, 1750 và 2000 g/mol), tỷ lệ khối lượng ưa nước/kỵ nước PCLA/PEG dao động từ 1.0 đến 2.4, trong khi tỷ lệ mol giữa ε-caprolactone và D,L-lactide được cố định ở mức 2.0. Phương pháp chọn mẫu này cho phép bao phủ toàn diện dải chuyển pha sinh lý của vật liệu.
• Quy trình tổng hợp: PEG và xúc tác Sn(Oct)2 được sấy chân không ở 110°C trong 2 giờ để loại bỏ hoàn toàn ẩm vết, sau đó hạ nhiệt độ xuống 60°C để nạp CL và LA. Hỗn hợp tiếp tục được sấy chân không ở 60°C trong 1 giờ trước khi nâng nhiệt lên 130°C và duy trì phản ứng trùng hợp ROP trong 18 giờ liên tục. Sản phẩm thô được hòa tan trong cloroform, kết tủa lại bằng dietyl ete dư và sấy chân không 48 giờ ở nhiệt độ phòng.
• Phương pháp phân tích: Cấu trúc phân tử và thành phần monomer được xác định bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR (500 MHz, dung môi CDCl3). Khối lượng phân tử trung bình (Mn) và chỉ số đa phân tán (Mw/Mn) được phân tích qua sắc ký rây phân tử GPC (Waters 410, detector độ khúc xạ RI, dung môi THF với tốc độ dòng 1.0 mL/phút). Lý do lựa chọn hệ thống phân tích này là nhằm đảm bảo độ nhạy cao và xác định chính xác cấu trúc vi mô của mạch polymer.
• Khảo sát tính chất: Quá trình chuyển pha sol-gel được đo bằng phương pháp nghịch đảo ống nghiệm (đường kính ống 10 mm, thể tích 4 mL) trong dung dịch đệm PBS ở các dải nhiệt độ từ 10°C đến 60°C với thời gian cân bằng 10 phút mỗi bước nhiệt. Khả năng phân hủy sinh học in vitro được đánh giá qua độ hao hụt khối lượng trong đệm PBS (pH 7.4, 37°C) và thử nghiệm in vivo bằng phương pháp tiêm dưới da chuột thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích dữ liệu thực nghiệm đã chỉ ra các phát hiện khoa học mang tính quy luật:

1. Tổng hợp thành công cấu trúc polymer mục tiêu: Phổ 1H-NMR ghi nhận đầy đủ các pic cộng hưởng đặc trưng gồm liên kết metylen của PEG tại độ dịch chuyển hóa học 3.64 ppm, nhóm metylen của đơn vị CL tại 4.06 ppm và nhóm metin của LA tại 5.17 ppm. Dữ liệu GPC cho thấy đường phân bố khối lượng phân tử có dạng đơn đỉnh hẹp, với chỉ số đa phân tán Mw/Mn dao động từ 1.22 đến 1.38, khẳng định phản ứng mở vòng diễn ra đồng đều và kiểm soát tốt mạch polymer.
2. Xác lập vùng chuyển pha sol-gel tối ưu cho ứng dụng tiêm: Giản đồ pha thực nghiệm chứng minh nhiệt độ chuyển pha phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng phân tử PEG và tỷ lệ PCLA/PEG. Cụ thể, mẫu copolymer tổng hợp từ PEG 1500 với tỷ lệ khối lượng PCLA/PEG bằng 2.0/1 ở nồng độ 25% khối lượng biểu hiện tính chất sol lỏng linh động tại 20°C - 25°C và chuyển thành khối gel đồng nhất, đàn hồi cao khi đạt 37°C (nhiệt độ chuyển pha bắt đầu tại 31.5°C).
3. Đặc tính phân hủy sinh học diễn ra từ từ và có thể kiểm soát: Đánh giá in vitro ở pH 7.4 và 37°C cho thấy tốc độ giảm khối lượng phân tử diễn ra theo hàm tuyến tính trong 6 tuần đầu với mức hao hụt khoảng 38% và phân hủy hoàn toàn sau 14 tuần. Thử nghiệm in vivo cấy dưới da xác nhận khối gel hình thành ngay lập tức sau 5 phút tiêm, duy trì kích thước ổn định trong 20 ngày đầu và tiêu biến dần mà không để lại xơ hóa hay phản ứng viêm mô cục bộ.

Thảo luận kết quả

Cơ chế chuyển pha của hệ PCLA-PEG-PCLA bắt nguồn từ bản chất lưỡng ái của mạch phân tử. Ở nhiệt độ dưới 25°C, các phân tử nước tạo vỏ hydrat hóa bền vững xung quanh các khối PEG thông qua liên kết hydro, giữ cho toàn bộ hệ thống phân tán ở trạng thái dung dịch lỏng micelle đơn phân tử. Khi nhiệt độ môi trường tăng đến thân nhiệt 37°C, các liên kết hydro bị phá vỡ, tính kỵ nước của hai khối PCLA đầu mạch tăng vọt, thúc đẩy sự kết tụ mạnh mẽ giữa các lõi kỵ nước để hình thành mạng lưới micelle bắc cầu liên tục, giam giữ nước bên trong cấu trúc mạng 3 chiều.

So sánh với hệ thống nhiệt dẻo truyền thống Pluronic F127, vốn bị rửa trôi và hòa tan hoàn toàn chỉ sau 24 đến 48 giờ do thiếu liên kết phân hủy sinh học, hệ copolymer PCLA-PEG-PCLA thể hiện độ bền cơ học vượt trội và thời gian lưu giữ kéo dài gấp nhiều lần. So với copolymer chứa hoàn toàn acid lactic (PLA-PEG-PLA), việc đưa monome ε-caprolactone vào mạch giúp làm giảm tốc độ giải phóng acid tự do, duy trì độ pH cục bộ xung quanh mức 6.8 - 7.2, bảo vệ cấu trúc không gian của các dược chất sinh học nhạy cảm như insulin hay interferon.

Trên phương diện trình bày trực quan, dữ liệu chuyển pha sol-gel được mô hình hóa rõ nét qua biểu đồ ranh giới pha nhiệt độ - nồng độ (nhiệt độ trục tung từ 10°C đến 60°C, nồng độ trục hoành từ 10% đến 35% khối lượng). Biểu đồ phân định rõ ba vùng: vùng sol trong suốt ở nhiệt độ thấp, vùng gel đục mờ ở nhiệt độ cơ thể và vùng kết tủa tách pha khi nhiệt độ vượt quá 55°C do tương tác kỵ nước co cụm quá mức.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện và phát triển ứng dụng:

1. Chuẩn hóa quy trình chế tạo ở quy mô bán công nghiệp: Triển khai nâng quy mô mẻ phản ứng tổng hợp ROP từ 10 gam lên 500 gam mỗi mẻ, kiểm soát độ ẩm nguyên liệu ban đầu dưới mức 0.01% để duy trì độ lặp lại của khối lượng phân tử với sai số dưới 3%. Thời gian hoàn thành dự kiến trong 9 tháng, do các kỹ sư công nghệ vật liệu cao phân tử và phòng R&D doanh nghiệp dược phẩm thực hiện.
2. Tối ưu hóa hiệu suất nạp và nhả thuốc định liều: Nghiên cứu phối trộn các dòng kháng sinh, thuốc giảm đau chống viêm hoặc protein tái tổ hợp vào dung dịch hydrogel ở 4°C, nhắm tới mục tiêu hiệu suất nạp dược chất đạt trên 85% và hạn chế tỷ lệ phóng thích ồ ạt ban đầu (burst release) xuống dưới 12% trong 24 giờ đầu. Thời gian triển khai 6 tháng, do các chuyên gia bào chế dược phẩm phụ trách.
3. Mở rộng thử nghiệm tiền lâm sàng đa chỉ tiêu: Thực hiện đánh giá tương thích mô học và động học hấp thu trên 60 cá thể động vật thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 10993 trong thời gian 12 tháng, theo dõi chi tiết các chỉ số men gan, chức năng thận và phản ứng miễn dịch cục bộ do Trung tâm Thử nghiệm Sinh học và Bệnh viện chuyên khoa phối hợp tiến hành.
4. Phát triển hệ polymer đa chức năng kết hợp nhạy pH và nhiệt độ: Thực hiện ghép nối thêm các đoạn oligomer nhạy cảm pH (như oligomer sulfamethazine) vào khung phân tử PCLA-PEG-PCLA nhằm tạo ra hệ dẫn thuốc thông minh hướng đích, có khả năng kích hoạt giải phóng thuốc chọn lọc tại các mô khối u có môi trường acid nhẹ (pH 6.5 - 6.8). Lộ trình nghiên cứu 18 tháng, do Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Nhà nghiên cứu và kỹ sư hóa polymer: Tiếp cận quy trình chi tiết về phản ứng trùng hợp mở vòng ROP, phương pháp kiểm soát tỷ lệ khối lượng phân tử ưa/kỵ nước và kỹ thuật phân tích phổ NMR, sắc ký GPC đối với vật liệu y sinh tiên tiến.
• Dược sĩ và chuyên gia công nghệ bào chế: Vận dụng các thông số về giản đồ pha sol-gel để thiết kế các công thức thuốc tiêm tác dụng kéo dài dùng cho bệnh nhân đái tháo đường, ung thư hoặc điều trị giảm đau cục bộ sau phẫu thuật.
• Kỹ sư y sinh và chuyên gia tái tạo mô: Sử dụng hydrogel PCLA-PEG-PCLA làm khung giá thể sinh học (scaffold) 3 chiều tự tạo gel để nuôi cấy tế bào, làm màng ngăn dính mô hoặc gel cầm máu tự tiêu trong phẫu thuật nội soi.
• Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Vật liệu: Tham khảo phương pháp luận khoa học chuẩn mực, cách thức thiết kế thực nghiệm biến thiên, thu thập và xử lý số liệu thực nghiệm trong các đề tài nghiên cứu cao học.

Câu hỏi thường gặp

Hydrogel PCLA-PEG-PCLA chuyển từ dạng lỏng sang gel ở 37°C dựa trên cơ chế nào?
Quá trình chuyển pha dựa trên sự cạnh tranh nhiệt động học. Ở nhiệt độ phòng (20°C - 25°C), liên kết hydro giữa nước và khối PEG chiếm ưu thế giúp phân tán dung dịch. Khi nhiệt độ tăng lên 37°C, các liên kết hydro yếu đi, tương tác kỵ nước giữa các khối PCLA tăng mạnh làm các micelle liên kết bắc cầu tạo thành mạng lưới gel rắn chắc giam giữ dung môi bên trong.

Tỷ lệ mol CL/LA bằng 2.0 có tác dụng gì đối với đặc tính của vật liệu?
Tỷ lệ này tạo ra sự cân bằng hoàn hảo giữa độ dẻo và tốc độ phân hủy. Poly(ε-caprolactone) có tính kỵ nước cao và kết tinh chậm, trong khi poly(D,L-lactide) phân hủy nhanh hơn. Việc cố định tỷ lệ CL/LA ở mức 2.0 giúp hydrogel duy trì độ bền cơ học cần thiết, kéo dài thời gian tồn tại của khối gel trong cơ thể đạt mức 14 tuần thay vì tan rã quá sớm.

Nồng độ copolymer nào trong dung dịch nước là tối ưu cho đường tiêm dưới da?
Nồng độ 25% khối lượng của copolymer chế tạo từ PEG 1500 (tỷ lệ PCLA/PEG = 2.0/1) là tối ưu nhất. Ở nồng độ này, dung dịch duy trì độ nhớt động lực học đủ thấp ở 20°C để tiêm dễ dàng qua kim tiêm cỡ 23G - 25G, đồng thời tạo gel nhanh chóng với độ bền nén cao ngay khi tiếp xúc với môi trường thân nhiệt 37°C.

Sản phẩm phân hủy của hydrogel PCLA-PEG-PCLA có an toàn cho cơ thể không?
Vật liệu hoàn toàn an toàn sinh học. Quá trình thủy phân sinh học chỉ tạo ra PEG không chuyển hóa được bài tiết qua thận, acid lactic và acid 6-hydroxyhexanoic. Các acid hữu cơ này đều tham gia vào chu trình chuyển hóa tự nhiên của cơ thể để tạo thành nước và khí cacbonic, không gây tích tụ độc hại hay biến đổi mô.

Điểm khác biệt chính giữa hydrogel này và hạt vi cầu PLGA truyền thống là gì?
Hạt vi cầu PLGA dạng rắn đòi hỏi kim tiêm kích thước lớn gây đau đớn cho người bệnh và có thể giải phóng acid đột ngột gây viêm mô. Ngược lại, hệ PCLA-PEG-PCLA được tiêm ở dạng dung dịch lỏng êm dịu, tự hóa gel tại chỗ, nhả thuốc đều đặn và giải phóng sản phẩm phân hủy với tốc độ chậm hơn, duy trì pH mô ổn định.

Kết luận

• Tổng hợp thành công triblock copolymer phân hủy sinh học PCLA-PEG-PCLA bằng phản ứng trùng hợp mở vòng ROP với độ phân tán khối lượng phân tử hẹp (Mw/Mn từ 1.22 đến 1.38).
• Xác lập công thức dung dịch 25% khối lượng (PEG 1500, PCLA/PEG = 2.0/1) có khả năng chuyển pha sol-gel nhạy nhiệt chuẩn xác tại 37°C và pH 7.4.
• Chứng minh khả năng phân hủy sinh học in vitro hoàn toàn trong 14 tuần theo cơ chế thủy phân êm dịu và tính tương thích mô in vivo vượt trội.
• Làm chủ quy trình điều khiển khối lượng phân tử và tỷ lệ ưa/kỵ nước, tạo nền tảng công nghệ vững chắc cho việc thiết kế chất mang thuốc thông minh.
• Mở ra tiềm năng ứng dụng đột phá trong bào chế thuốc tiêm nhả chậm điều trị ung thư, đái tháo đường và kỹ thuật tái tạo mô y sinh.

Lộ trình tiếp theo sẽ tập trung thử nghiệm nạp thuốc và tối ưu hóa quy trình pilot trong 6 đến 12 tháng tới. Quý đối tác, nhà khoa học và các đơn vị sản xuất dược phẩm quan tâm đến việc thử nghiệm và chuyển giao công nghệ vật liệu hydrogel y sinh vui lòng liên hệ trực tiếp với nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Polyme và Compozit để phối hợp phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Hình 1. Cấu trúc phân tử của các hydrogel nhạy cảm nhiệt độ 1. Hydrogel nhạy cảm pH [7,8]. Bên cạnh nhiệt độ thì pH là tác nhân kích thích môi trường gây ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái hydrogel.

Polyelectrolyte là một hydrogel nhạy cảm pH điển hình, nó có chứa các nhóm có đuôi acid hoặc bazo trong cấu trúc phân tử của hydrogel, làm cho hydrogel biến đổi trạng thái theo sự thay đổi pH của môi trường. Như Poly( N,N-diethylaminoethyl methacrylate) có thể hòa tan hoặc trương nở khi ở pH thấp do xảy ra quá trình ion hóa. Khả năng trương nở của các hydrogel polyelectrolyte xảy ra là do tương tác giữa tĩnh điện giữa các cực trong cấu trúc chuỗi polymer, như vậy mức độ trương nở của hydrogel phụ thuộc vào pH, lực tương tác giữa các ion và sự có mặt của các ion trái dấu. Sự chênh lệch pH giữa dạ dày và ruột đủ để có gây ra sự thay đổi trạng thái của hydrogel nhạy cảm pH, và hướng phát triển hydrogel nhạy cảm pH dựa vào sự chênh lệch pH này đang rất được chú ý.

Trang 8 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan Hình 1. Cấu trúc phân tử của các hydrogel nhạy cảm pH 1. Hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH [1,7,8,14-18] Các hydrogel chỉ nhạy cảm nhiệt độ hoặc chỉ nhạy cảm pH cho thấy một số bất lợi cho hệ vận chuyển thuốc dạng tiêm dưới da. Với dung dịch hydrogel nhạy cảm nhiệt được tiêm vào vào cơ thể ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cơ thể, và nó có huynh hướng tạo gel ở nhiệt độ của cơ thể do đó sẽ gặp khó khăn trong quá trình đưa thuốc vào cơ thể.

Đối với dung dịch hydrogel nhạy cảm pH thì lại gặp khó khăn trong việc phân tán thuốc. Để khắc phục các bất lợi này, một loại hydrogel mới đã được nghiên cứu, hydrogel nhạy cảm với cả nhiệt độ và pH. Trạng thái pha của hydrogel này thay đổi dưới tác động của cả nhiệt độ và pH môi trường. Dung dịch Copolymer hydrogel PDEAEMA-Pluronic-PDEAEMA thể hiện quá trình chuyển pha sol-gel kép kín và phụ thuộc vào sự thay đổi của cả nhiệt độ và pH, tuy nhiên tốc độ phân hủy của hydrogel xảy ra nhanh và đột ngột, nó không duy trì được quá trình phân tán thuốc.

Sulfamethazine oligomer (OSM) xảy ra quá trình ion hóa ở pH trong khoảng 7.4, trong trạng thái ion hóa thì OSM đóng vai trò như một block ưa nước, và sẽ chuyển sang block kỵ nước trong môi trường không bị ion hóa. Như vậy cơ bản OSM là một block nhạy cảm pH. Khi ghép OSM với hydrogel nhạy cảm nhiệt độ như poly(ε-CL-co-LA)-PEG-poly(ε-CL-co-LA) (PCLA-PEG-PCLA) để tạo thành hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM.5 cho thấy cơ chế chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH.0 (trạng thái D) dung dịch copolymer tồn tại ở trạng thái lỏng (sol)với độ nhớt thấp do có ít block kỵ nước PCLA và block OSM bị ion hóa. Khi nhiệt độ tăng từ 150C đến 370C (dung dịch copolymer chuyển từ trạng thái D sang B), mặc dù PCLA trở nên kỵ nước hơn khi nhiệt độ tăng nhưng OSM vẫn là block ưa nước do ở pH cao thì OSM vẫn bị ion hóa.

Do đó block PCLA-OSM không có đủ khả năng để tạo ra tương tác giữa các micell nên độ nhớt của dung dịch copolymer này Trang 9 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan vẫn tăng lên khi so sánh với trạng thái D, và như vậy nó vẫn tồn tại ở trạng thái lỏng (sol). Khi dung dịch copolymer chuyển từ trạng thái D sang C, OSM bị khử ion do pH giảm 8. Sau đó nhóm Sulfonamide trong OSM không bị ion hóa có xu hướng kết tinh lại. độ nhớt của dung dịch copolymer tăng lên tương tác kỵ nước yếu giữa các block OSM đề ion hóa nhưng dung dịch vẫn ở trạng thái sol.

ở nhiệt độ 370C và pH 7.4 (trạng thái A), block PCLA và OSM không bị ion hóa tạo ra liên kết kỵ nước rất mạnh giữa các block PCLA-OSM. Nhiều cầu nối giữa các micell đã được hình thành do tương tác kỵ nước giữa các block PCLA-OSM. Do đó copolymer hydrogel OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM tồn tại ở trạng thái gel hóa. Cơ chế chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy cảm pH và nhiệt độ Trang 10 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan 1.

Hydrogel nhạy cảm glucose [8]. Hydrogel nhạy cảm glucose được ứng dụng trọng hệ vận chuyển phân tán tự điều chỉnh insulin.6 cho thấy, glucose tạo thành acid gluconic nhờ men glucose oxidase trong hydrogel, khi ở pH giảm thì hydrogel bị trương nở để phân tán insulin. Sự phân tán insulin của hydrogel tự điều chỉnh insulin Trang 11 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan Hình 1. Cấu trúc phân tử của các hydrogel nhạy cảm glucose và phân hủy sinh học 1.

Hydrogel phân hủy sinh học [1,8]. Hydrogel phân hủy sinh học có thể bị phân hủy đến một khối lượng phân tử nhất định có thể chấp nhận được về mặt sinh học trong cơ thể bằng quá trình hydrat hóa hay hydrat hóa nhờ enzym xúc tác. Hydrogel sẽ bị loại ra khỏi cơ thể sau khi quá trình phân tán thuốc kết thúc. Hydrogel phân hủy sinh học có nhiều ưu điểm trong hệ thống vận chuyển và phân tán thuốc như tăng khả năng tương thích sinh học và dễ dàng kiểm soát quá trình phân tán thuốc.

hydrogel phân hủy sinh học được phát triển và ứng dụng nhiều trong các hệ thuốc đường ruột và trong hệ thuốc dạng tiêm dưới da, vì hydrogel có thể bị phân hủy bởi các enzym và vi khuẩn trong ruột. PLGA được sử dụng rộng rãi trong hệ vận chuyển thuốc phân hủy sinh học, tuy nhiên nó lại bị giới hạn trong hệ vận chuyển protein. Do PLGA bị phân hủy ở môi trường pH thấp và gây ra các hiệu ứng bất lợi cho việc ổn định trạng thái của protein. Hydrogel phân hủy sinh học thường là các hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và các hydrogel loại này có độ tương thích cao với protein, gen.

Triblock copolymer loại này như PEG-PLGA-PEG, PCLA-PEG-PCLA. Trang 12 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan 1. Ứng dụng của một số hydrogel trong Y dược 1. Hệ thống vận chuyển và phân phối dược phẩm/protein [1].

Trong những năm gần đây ,việc kiểm soát quá trình phân tán dược phẩm/protein để điều trị những căn bệnh nghiêm trọng như bệnh dịch, HIV-AIDS, ung thư, viêm gan, đặc biệt là bệnh đái tháo đường là một trong những thành tựu đầy thử thách trong lĩnh vực Y dược. Hiện có nhiều phương pháp chữa bệnh đang cần đến việc phân tán dược phẩm tốt hơn. Mặc dù, có nhiều loại dược phẩm/protein chứng tỏ được khả năng chữa bệnh tốt nhưng chúng đang bị giới hạn về khả năng ứng dụng, bởi vì người ta đang lo ngại về các tác dụng phụ của dược phẩm/protein khi dược phẩm được đưa vào bên trong cơ thể. Hơn nữa, tiêu chuẩn kiểm soát sự phân tán dược phẩm vào cơ thể như tiêm vào dưới da, uống, truyền dược phẩm vào tĩnh mạch… cho thấy sự tập trung đột ngột của dược phẩm/protein tại một điểm, lúc đó dược phẩm/protein trở thành chất độc hại cho cơ thể.

Bởi vì sự tập trung đó làm cho liều lượng dược phẩm/protein tại đó cao hơn bình thường. Thêm vào đó, sự suy giảm hình thức (profile) của dược phẩm/protein đến dưới khoảng liều lượng sử dụng trong suốt quá trình phân tán dược phẩm, khi đó những phương pháp này đòi hỏi một liều dược phẩm/protein mới. Phương pháp phân tán dược phẩm một cách tự nhiên là phương pháp có triển vọng nhất bởi vì nó cho phép phân tán các phần tử hoạt động của dược phẩm một cách đầy đủ và hiệu quả. Việc giảm các tác dụng phụ của phương pháp này cho phép việc sử dụng liều lượng dược phẩm/protein tăng lên.

Do đó kéo dài được hiệu lực và khả năng ứng dụng của dược phẩm. Hình thức kiểm soát dược phẩm/protein Trang 13 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan Thành công của thiết bị vận chuyển-phân tán dược phẩm không chỉ dựa vào thiết kế mạng lưới polymer mà còn dựa vào hình thức phân tán dược phẩm đúng đắn và chính xác. Cấu trúc mạng lưới polymer được sắp xếp bao gồm các đại phân tử với các hydrogel có tính chất hoá học nổi trội, các tính chất hoá lý dễ xác định và những hình thức của dược phẩm tái sử dụng. Hệ polymer phân huỷ sinh học dùng cho vận chuyển thuốc gọi là polymer y sinh, đặc biệt là hydrogel phân huỷ sinh học hay hydrogel y sinh đang được chú trọng như việc ứng dụng insulin vào phương thức chữa bệnh, bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như khả năng tương thích sinh học tốt, trách nhiệm cao cho các nhân tố đặc biệt.

Một ưu điểm quan trọng của phương thức phân tán dược phẩm từ hydrogel là chúng có thể kiểm soát được bởi một vài yếu tố, ví dụ như: Kích thước lỗ trống của hydrogel, tính kỵ nước, sự có mặt của một số nhóm chức đặc biệt, chúng tạo ra một tương tác đặc trưng giữa chất mang (matrix) với dược phẩm và sự kiểm soát phân huỷ của các hydrogel phân huỷ sinh học. Cơ chế phân tán dược phẩm /protein của hydrogel [1,4,20]. Điểm ưu việt của kỹ thuật vận chuyển và phân tán dược phẩm đó là khả năng phân tán dược phẩm vào cơ thể với một liều lượng nhất định, ổn định và liên tục. những lợi ích của sự kiểm soát quá trình vận chuyển và phân tán dược phẩm đem lại như: - Phương pháp trị liệu hiệu quả hơn ít gây phản ứng phụ hơn - Duy trì nồng độ thuốc trong máu luôn ở mức độ trị liệu - Thuận tiện cho người bệnh vì không phải dùng thuốc thường xuyên - Cuối cùng là làm tăng khả năng tích nghi với người bệnh.

Hầu hết các kỹ thuật kiểm soát quá trình vận chuyển và phân tán dược phẩm cơ bản đều sử dụng polymer và hydrogel. Sự phân tán thuốc từ hệ thống vận chuyển thuốc được kiểm soát bằng nhiều phương pháp khác nhau, và các cơ chế được sử dụng rộng rải nhất như khuếch tán, hòa tan, thẩm thấu và trao đổi ion. Để phân loại các mô hình kiểm soát sự phân tán thuốc người ta thường dựa trên cơ chế phân tán thuốc từ hệ mang thuốc. Có thể phân ra các loại mô hình kiểm soát phân tán dược phẩm như sau: 1.

Kiểm soát sự khuếch tán. Kiểm soát sự trương nở. Kiểm soát hoá học. Trang 14 Lê Văn Ty Chương 1: Tổng quan Hình 1.

Cơ chế phân tán dược phẩm /protein Mô hình kiểm soát sự phân tán dược phẩm bằng phương pháp kiểm soát sự trương nở xuất hiện khi sự khuếch tán dược phẩm/protein nhanh hơn sự trương nở của hydrogel. Do đó sẽ có sự dịch chuyển của các phân tử giữa mặt phân cách của trạng thái cao su và trạng thái thủy tinh của hydrogel trương nở giống như sự di chuyển ra vùng biên.