Luận văn thạc sĩ về tổng hợp vật liệu nano berberin và khảo sát hoạt tính kháng khuẩn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano berberin và khảo sát sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Võ Nhị Kiều
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thụy Tuyết Mai
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano berberin và hoạt tính kháng khuẩn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano berberin

Vật liệu nano berberin được tạo ra từ phương pháp insitu và phương pháp nghiền quay với sự hỗ trợ của chitosan. Vật liệu nano này không chỉ có khả năng cải thiện tính hòa tan mà còn nâng cao hiệu quả sinh khả dụng của berberin trong cơ thể. Theo nghiên cứu, kích thước hạt nano berberin thường nằm trong khoảng 100-150 nm, giúp tăng cường khả năng hấp thụ qua đường tiêu hóa. Việc sử dụng chitosan làm chất mang không chỉ giúp bảo vệ hoạt chất mà còn tạo ra một hệ thống phân tán ổn định hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc chế tạo vật liệu nano có thể cải thiện đáng kể các tính chất dược lý của berberin, bao gồm khả năng kháng khuẩn và chống ung thư. Như vậy, việc nghiên cứu vật liệu nano berberin không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn ứng dụng thực tiễn cao trong y học.

1.1. Đặc điểm của berberin

Berberin (BBr) là một alkaloid có nguồn gốc từ nhiều loại cây như Berberis và Coptis. Hoạt chất này nổi bật với khả năng kháng khuẩn và kháng viêm. Tuy nhiên, độ hòa tan kém của berberin trong nước là một trở ngại lớn cho việc sử dụng trong y học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu nano có thể cải thiện đáng kể khả năng hòa tan và sinh khả dụng của berberin. Cụ thể, các hạt nano berberin đã cho thấy khả năng hấp thụ cao hơn so với dạng bột thông thường, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị. Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano kháng khuẩn từ berberin sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực dược phẩm.

II. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano berberin

Phương pháp tổng hợp vật liệu nano berberin chủ yếu bao gồm hai cách: phương pháp insitu và phương pháp nghiền quay. Trong phương pháp insitu, berberin được kết hợp với chitosan để tạo thành một hệ nano ổn định. Ngược lại, phương pháp nghiền quay sử dụng nano chitosan để tăng cường tính chất vật lý của berberin. Nghiên cứu vật liệu nano cho thấy rằng việc sử dụng các phương pháp này không chỉ tối ưu hóa quá trình tổng hợp mà còn cải thiện đáng kể tính chất kháng khuẩn của sản phẩm cuối cùng. Kết quả phân tích bằng SEM, DLS và XRD cho thấy kích thước hạt và cấu trúc tinh thể của nano berberin được kiểm soát tốt, từ đó nâng cao khả năng ứng dụng trong điều trị bệnh. Điều này khẳng định rằng việc phát triển công nghệ nano trong chế tạo vật liệu nano kháng khuẩn là một hướng đi đúng đắn.

2.1. Đánh giá tính chất của vật liệu nano

Các phương pháp phân tích hiện đại như SEM và DLS đã được áp dụng để đánh giá đặc trưng của vật liệu nano berberin. Kết quả cho thấy kích thước hạt nằm trong khoảng 100-150 nm, kích thước lý tưởng cho việc hấp thụ trong cơ thể. Phân tích XRD cho thấy cấu trúc tinh thể của vật liệu nano ổn định, điều này rất quan trọng để đảm bảo tính chất kháng khuẩn. Việc xác định hàm lượng berberin trong hệ nano cũng được thực hiện bằng phương pháp UV-Vis, cho thấy hàm lượng berberin đạt khoảng 0,94%. Như vậy, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano berberin không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong y học.

III. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano berberin

Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano berberin đã được khảo sát qua nhiều phương pháp khác nhau như khuếch tán trên đĩa thạch và đồng nuôi cấy. Kết quả cho thấy vật liệu nano berberin có khả năng ức chế mạnh mẽ sự phát triển của Streptococcus mutans, một trong những tác nhân chính gây sâu răng. Đường kính vòng kháng khuẩn đạt khoảng 14,7 mm, cho thấy hiệu quả vượt trội so với berberin thông thường. Các giá trị MIC và MBC lần lượt là 37 µg/mL và 147 µg/mL, khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu này trong sản phẩm chăm sóc răng miệng. Điều này không chỉ mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu nano kháng khuẩn mà còn góp phần giảm thiểu việc sử dụng kháng sinh trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn.

3.1. Phương pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn

Việc đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu nano berberin được thực hiện thông qua các phương pháp khuếch tán trên đĩa thạch và đồng nuôi cấy. Kết quả từ các thí nghiệm này cho thấy vật liệu nano berberin có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn, đặc biệt là Streptococcus mutans. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu nano kháng khuẩn có thể là một giải pháp hiệu quả trong việc điều trị các bệnh lý liên quan đến vi khuẩn, đồng thời giảm thiểu tác dụng phụ của kháng sinh. Sự kết hợp giữa nano berberin và chitosan không chỉ tạo ra một sản phẩm có hiệu quả kháng khuẩn cao mà còn an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano berberin

Vật liệu nano berberin không chỉ có tiềm năng trong lĩnh vực y học mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm và mỹ phẩm. Khả năng kháng khuẩn của nó có thể giúp phát triển các sản phẩm chăm sóc sức khỏe răng miệng, giảm thiểu tình trạng sâu răng và các bệnh lý liên quan đến vi khuẩn. Hơn nữa, nhờ vào tính chất sinh học tốt, vật liệu nano này có thể được sử dụng trong các sản phẩm thực phẩm chức năng nhằm nâng cao sức khỏe. Nghiên cứu và phát triển vật liệu nano berberin sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tạo ra các sản phẩm an toàn và hiệu quả cho người tiêu dùng.

4.1. Tiềm năng trong ngành dược phẩm

Với khả năng kháng khuẩn và các tác dụng dược lý khác, vật liệu nano berberin có thể được ứng dụng trong việc phát triển các sản phẩm dược phẩm mới. Việc sử dụng nano berberin trong các sản phẩm điều trị sẽ giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị, đồng thời giảm thiểu tác dụng phụ không mong muốn. Điều này khẳng định rằng nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong y học sẽ mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe cộng đồng và mở ra hướng đi mới trong ngành dược phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Berberine là một loại dược liệu quý giá trong Y học Cổ truyền của nhiều nước trên thế giới. Hoạt chất chiết xuất tạo ra berberine thường không tốn kém, an toàn vì berberine có tác dụng kháng khuẩn rộng rãi và có thể giúp điều trị một cách tự nhiên trong các điều kiện mà không cần sử dụng kháng sinh. Ngoài ra, berberine đã được chứng minh là có nhiều tác dụng dược lý khác bao gồm kháng sinh, chống khối u, chống viêm và hạ đường huyết. Tuy nhiên, berberine không tan trong nước và khả năng phân tán trong nước kém dẫn đến sự hấp thụ berberine vào cơ thể kém, làm cho tác dụng dược lý của berberine không đạt hiệu quả cao.

Công nghệ nano được xem là giải pháp hiệu quả giúp khả năng phân tán của berberine tăng lên, tạo điều kiện cho cơ thể hấp thụ tốt hoạt chất của berberine, giúp berberine phát huy hết tác dụng dược lý của mình. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu chế tạo nano berberine với các phương pháp khác nhau như: gắn nano berberine trên polymer, trên silica từ tính, trên lipid, gắn vào các dendrimer, graphene hay trên các nano vàng, nano bạc,…. Các nghiên cứu đều thể hiện các tác dụng dược lý của nano berberine cao hơn so với berberine thông thường. Dựa trên xu thế đó, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano berberin và khảo sát sơ bộ hoạt tính kháng khuẩn” được thực hiện trong luận văn này nhằm mục tiêu xây dựng quy trình chế tạo nano berberine đơn giản, hạt nano berberine có kích thước nhỏ, hàm lượng berberine có trong pha phân tán cao.

Sơ lược về berberine Berberine (BBr) là một alkaloid thuộc nhóm isoquinoline có thể được chiết xuất dễ dàng từ thực vật hoặc từ quá trình tổng hợp hóa học. Trong tự nhiên, BBr với công thức cấu tạo ở Hình 1.1 được chiết xuất từ các loại cây thuộc chi Berberis, Hydrastis candensis, Coptis với hàm lượng trong khoảng 1,5-3% [1].1: Công thức cấu tạo của BBr. Sản phẩm bột BBr thương mại có độ tinh khiết > 90%, có màu vàng, không mùi, có vị rất đắng. BBr tan trong methanol, ethanol, rất ít tan trong nước và khó tan trong ether.

Ở dạng muối clorid, BBr tan ở tỷ lệ 1/400 trong nước ở điều kiện thường, tan nhiều trong ethanol, không tan trong chloroform và ether. Ở dạng muối sulfat, BBr dễ tan trong nước ở tỷ lệ 1/30, tan tốt trong ethanol [2]. BBr đã được sử dụng rộng rãi trong y học cổ truyền, thường được dùng nhiều để trị các bệnh đường ruột, bệnh gan mật, bệnh ngoài da, …. BBr đã thu hút được sự chú ý trong những năm gần đây do có tác dụng dược lý như chống ung thư [3], kháng virus, kháng khuẩn [4], chống viêm, điều hòa lipid máu hạ đường huyết [5, 6], chống rối loạn nhịp tim [7], hỗ trợ điều trị tiểu đường [8].

BBr được xem là chất kháng sinh tự nhiên và đã sử dụng rộng rãi trong ngành dược. Sơ lược về nano berberine Mặc dù có nhiều tính chất dược lý nhưng BBr có độ hòa tan trong nước kém và độ sinh khả dụng thấp từ đó ảnh hưởng đến tác dụng dược lý của BBr đối với cơ thể 2 [2]. Trong nghiên cứu Liu và cộng sự (2016) [9] đã có thảo luận rằng (Hình 1.2): khi dùng bằng đường uống khoảng 0,5% liều BBr có thể được hấp thu vào tĩnh mạch; khoảng 56% liều uống BBr không được hấp thu ở đường tiêu hóa do tự kết tụ, tính thấm kém, chảy qua trung gian P-glycoprotein và đào thải qua gan mật; khoảng 43,5% liều BBr sẽ được chuyển hóa ở ruột. Vì vậy cần một lượng BBr nhiều hơn để đạt được mức nồng độ BBr trong huyết tương đủ để có tác dụng điều trị hiệu quả.

Tuy nhiên, lượng BBr cao hơn có thể dẫn các tác dụng phụ không mong muốn. Chính vì thế việc điều chế berberine có kích thước nano mét được xem là chiến lược giúp cải thiện khả năng ứng dụng của BBr, giúp BBr có thể phát huy hết tác dụng dược lý của mình.2: Mức độ hấp thu của berberin vào cơ thể Một số báo cáo liên quan đến công nghệ nano cho thấy các hạt BBr được phân tán ở kích thước nano giúp cải thiện đáng kể khả năng hấp thu nano BBr thông qua đường uống, cũng như hiệu quả dược lý của nano BBr cũng được cải thiện đáng kể. Báo cáo của Azadi và cộng sự (2020) [10] đã chỉ ra rằng khả năng chống oxy hóa và chống viêm gây thiếu máu ở não đã được cải thiện rõ rệt khi sử dụng nano BBr với liều lượng 25 mg/kg (lượng này rất thấp so với khi sử dụng bột BBr 100 mg/kg. Sharifi và cộng sự (2021) [11] đã báo cáo kết quả chống oxi hóa (bằng phương pháp 3 DPPH) và khả năng ức chế tế bào Hep G2 (bằng phương pháp in vitro) trên hệ BBr dạng nano tốt hơn đáng kể so với khi sử dụng tinh chất BBr dạng bột khối.

Ngoài ra, nano BBr còn được báo cáo về dược tính cải thiện khả năng chống ung thư, khối sự phát triển của các khối u và hỗ trợ bảo vệ gan [12]. Ứng dụng của nano berberine Hoạt tính kháng khuẩn Berberine được đánh giá là có hoạt tính kháng khuẩn phổ rộng với 17 loài vi khuẩn đã được khảo sát. Trong đó, gồm hai vi khuẩn gram âm như Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, hai vi khuẩn gram dương Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, sáu loại nấm dạng sợi Penicilium chrysogenum, Aspergillus niger, Aureobasidium pullulans, Trichoderma viride , Fusarium nivale, Mycrosporum gypseum và hai loại nấm men Candida albicans và Sacchaeromyces cerevisiaeromyces [13]. Cơ chế hoạt động kháng khuẩn của berberine là ức chế Filamenting temperature sensitive mutant Z (FtsZ) [14-16], một loại protein quan trọng trong quá trình phân chia tế bào vi khuẩn.

Các monome FtsZ lắp ráp thành một vòng co lại (gọi là vòng Z). Sự lắp ráp FtsZ thành vòng Z là cần thiết cho sự phân chia tế bào. Berberine liên kết với FtsZ (Hình 1.3), ức chế sự lắp ráp FtsZ để hình thành vòng Z từ đó ngăn chặn sự phân chia tế bào của vi khuẩn. Một số nghiên cứu chứng minh rằng berberine là một phối tử DNA, có thể liên kết với cả DNA sợi đơn và mạch kép trong ống nghiệm [15].

Do đó, berberine có thể liên kết với DNA ở vi khuẩn dẫn đến tổn thương DNA của vi khuẩn [14-16].3: Vị trí hoạt động của berberine trên FtsZ [14] 4 Một số nghiên cứu cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của hệ nano BBr có hiệu quả hơn so với BBr thông thường. Cụ thể như hoạt tính kháng khuẩn của nano berberine được chế tạo bằng các phương pháp bay hơi kết tủa của các hạt có kích thước nano (EPN) và chống kết tủa dung môi bằng bơm tiêm (APSP) đã được báo cáo trong nghiên cứu của Sahibzada và cộng sự (2018) [17]. Các hạt nano bán tinh thể (NP) đã được chế tạo bằng phương pháp APSP có đường kính 90 –110 nm và phương pháp EPN có đường kính 65 – 75 nm. Kết quả chỉ ra rằng các NP đã tăng khả năng hòa tan và tốc độ hòa tan đáng kể do chuyển đổi cấu trúc tinh thể sang dạng bán tinh thể.

Bên cạch đó nghiên cứu này cũng đã cho thấy các nano berberine bán tinh thể được chuẩn bị bằng phương pháp APSP và EPN có hoạt động kháng khuẩn chống lại vi khuẩn Gram dương ở giá trị MIC tương ứng là 128 µg/mL và 64 µg/mL. Hoạt tính kháng khuẩn chống lại E. coli ở mức MIC là 32 µg/mL của các nano berberine bán tinh thể được điều chế bằng phương pháp EPN đã được chứng minh là tốt hơn so với BBr chưa qua xử lý. Hoạt tính kháng khuẩn của nano berberine bán tinh thể đối với vi khuẩn C.

glabrata đã được ghi nhận ở các giá trị MIC tương ứng là 64 µg/mLvà 128 µg/mL, thấp hơn rất nhiều so với BBR chưa qua xử lý (MIC là 256 µl/mL) [17]. Gần đây, nhóm nghiên cứu của Sonali Dash và cộng sự (2020) [18] đã tăng cường khả năng kháng khuẩn của berberine thông qua sự kết hợp với các hạt nano chitosan (CNPs) được tổng hợp bằng phương pháp gel hóa ion giữa chitosan và chất liên kết sodium tripholyphosphat (STPP). Kết quả của nghiên cứu cho thấy đối với khuẩn S. aureus nồng độ ức chế MIC của CNPs là 150 mg/mL và berberine là 200 mg/L, tuy nhiên khi kết hợp CNPs với berberine nồng độ ức chế MIC đã giảm còn 50 mg/mL.

Tương tự, đối với khuẩn B. subtilis, nồng độ ức chế MIC của CNPs là 200 mg/mL và berberine là 250 mg/mL cũng giảm xuống còn 50 mg/mL khi kết hợp CNPs với berberine [18]. Berberine cũng được đánh giá có khả năng ức chế hệ vi khuẩn gây bệnh trong khoang miệng (Bảng 1.1), cụ thể là bệnh sâu răng được gây ra bởi vi khuẩn Streptococci mutans (S. mutans là vi khuẩn Gram dương được phân lập đầu tiên vào năm 1924 bởi J.

Môi trường sống là ở trong các lỗ ở trên 5 răng và đặc biệt hơn là mảng bám răng - màng sinh học chứa nhiều vi khuẩn bám trên bề mặt cứng của răng [20]. mutans bám trên mảng bám răng và sinh ra acid gây mòn men răng. mutans chuyển hóa các cacbonhydrat như đường sucrose, fructose, glucose thành acid lactic và làm cho pH trong miệng giảm xuống, đồng thời tạo ra các enzyme thủy phân protein (thành phần trong nước bọt), phân hủy các chất vô cơ ở trên răng tạo thuận lợi cho sự bám dính thức ăn và các vi khuẩn gây nên bệnh sâu răng [21]. Tương tự như các hệ vi khuẩn khác, cơ chế hoạt động kháng khuẩn của berberine lên vi khuẩn S.

mutans là liên kết với DNA và ARN của vi khuẩn. Ngoài ra, báo cáo khác đã ghi nhận berberine cũng có thể ức chế hoạt động lắp ráp thành vòng Z của protein FtsZ; từ đó làm gián đoạn của quá trình phân chia tế bào và vì vậy ngăn chặn sự lớn lên của vi khuẩn S. Tuy nhiên các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đánh giá hoạt tính kháng vi khuẩn S. mutans của berberine dạng khối, và chưa có nghiên cứu nào đánh giá tính kháng vi khuẩn S.

mutans của hệ nano berberine. Chính vì thế trong luận văn này chúng tôi sẽ tiến hành đánh giá hoạt tính kháng của hệ vật liệu nano BBr trên vi khuẩn S.1: Kết quả kháng một số loài vi khuẩn gây bệnh sâu răng của berberine. Hoạt tính chống ung thư Nhóm của Xiang-Ping Meng và cộng sự (2016) [22] đã báo cáo nghiên cứu gắn berberine lên chất mang lipid có cấu trúc nano (Ber-NLC) bằng kỹ thuật đồng nhất áp suất cao. Khả năng ức chế sự gia tăng của tế bào HepG2, Huh7 và EC9706 của người được thử nghiệm bằng phương pháp biến đổi màu của muối tetrazolium (thử nghiệm MTT).