NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CD-MOF TRONG LƯU TRỮ THUỐC

Luận văn nghiên cứu ứng dụng CD-MOF trong lưu trữ thuốc, chuyên ngành Công nghệ Hóa học. Tìm hiểu khả năng hấp phụ Vitamin của vật liệu CD-MOF.

• Tác giả: Tôn Anh Minh Trí
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Thị Hồng Nhan
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng CD-MOF Trong Lưu Trữ Thuốc
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. VẬT LIỆU KHUNG HỮU CƠ – KIM LOẠI (MOF)
• 1.1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.2. Đặc tính của MOF
• 1.1.3. Hấp phụ, tách và lưu trữ khí
• 1.1.4. Dẫn truyền thuốc
• 1.1.5. Phân hủy sinh học của MOF điều trị
• 1.2. GIỚI THIỆU VỀ CYCLODEXTRINS VÀ CD-MOF
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 2.2. THIẾT BỊ SỬ DỤNG
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
• 2.3.1. Tổng hợp CD-MOF
• 2.3.2. Độ tan của vật liệu
• 2.3.3. Tính chất của vật liệu
• 2.3.4. Xác định nồng độ dung dịch I2/KI
• 2.3.5. Đặc tính của CD-MOF khi hấp phụ vitamin C
• 2.3.6. Lượng Vitamin C hấp phụ vào vật liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. TỔNG HỢP CD-MOF
• 3.1.1. Tổng hợp CD-MOF-Na
• 3.1.2. Tổng hợp CD-MOF-K
• 3.2. ĐẶC TÍNH CỦA CD-MOF
• 3.2.1. Ngoại quan CD-MOF-Na
• 3.2.2. Ngoại quan CD-MOF-K
• 3.2.3. Quang phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 3.2.4. Nhiễu xạ XRD (X-ray diffraction)
• 3.2.4.1. Nhiễu xạ XRD của CD-MOF-Na
• 3.2.4.2. Nhiễu xạ XRD của CD-MOF-K
• 3.2.5. Diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ khí
• 3.2.5.1. Diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ khí của CD-MOF-Na
• 3.2.5.2. Diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ khí của CD-MOF-K
• 3.2.6. Độ bền vật liệu
• 3.2.7. Đặc tính của CD-MOF hấp phụ vitamin C
• 3.2.8. Lượng Vitamin C hấp phụ vào vật liệu CD-MOF-Na
• 3.2.9. Lượng Vitamin C hấp phụ vào vật liệu CD-MOF-K
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu CD MOF và Lưu Trữ Thuốc

Trong bối cảnh khoa học công nghệ phát triển, các loại vật liệu có cấu trúc mao quản ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOF) nổi lên như một giải pháp tiềm năng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lưu trữ thuốc. MOF được tạo thành từ các cầu nối hữu cơ và tâm kim loại, sở hữu những đặc tính ưu việt như cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt riêng lớn, và khả năng tùy biến cấu trúc. Những tính chất này mở ra cơ hội kiểm soát khả năng lưu trữ thuốc một cách hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng CD-MOF, một loại MOF đặc biệt tổng hợp từ β-cyclodextrin, nhằm mục tiêu hấp phụ Vitamin. Việc sử dụng CD-MOF hứa hẹn mang lại một hệ thống phân phối thuốc an toàn, hiệu quả, và có khả năng phân hủy sinh học. Theo nghiên cứu của Giáo sư Omar Yaghi tại UCLA, MOF có diện tích bề mặt rất lớn, vượt trội so với các vật liệu zeolit truyền thống.

1.1. Giới thiệu vật liệu CD MOF Cấu trúc và Đặc tính

CD-MOF là một loại MOF đặc biệt được tạo ra từ cyclodextrin, một oligosaccharide vòng có khả năng tạo phức với nhiều loại phân tử khác nhau. Cấu trúc của CD-MOF bao gồm các phân tử cyclodextrin liên kết với nhau thông qua các ion kim loại, tạo thành một mạng lưới ba chiều với các lỗ xốp có kích thước nano. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ và lưu trữ thuốc. Tính chất quan trọng của CD-MOF bao gồm độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng phân hủy sinh học.

1.2. Ứng dụng của MOF trong Hệ thống phân phối thuốc

MOF đang trở thành một vật liệu đầy hứa hẹn trong lĩnh vực hệ thống phân phối thuốc do khả năng kiểm soát sự giải phóng thuốc và tăng cường hiệu quả điều trị. Với cấu trúc lỗ xốp, MOF có thể chứa một lượng lớn thuốc và giải phóng chúng một cách từ từ, kéo dài thời gian tác dụng của thuốc. Ngoài ra, MOF có thể được thiết kế để nhắm mục tiêu cụ thể đến các tế bào hoặc mô bệnh, giúp giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc.

II. Tổng Hợp CD MOF Phương Pháp và Quy trình tối ưu

Quá trình tổng hợp CD-MOF đóng vai trò then chốt trong việc xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ thuốc và hấp phụ Vitamin. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp khuếch tán dung môi để tổng hợp CD-MOF từ β-cyclodextrin và các base như NaOH hoặc KOH. Các thông số như tỷ lệ nguyên liệu, dung môi, nhiệt độ, và thời gian phản ứng cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo thu được CD-MOF với độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn. Kết quả cho thấy phương pháp này hiệu quả trong việc tạo ra vật liệu có khả năng hấp phụ tốt. Theo tài liệu nghiên cứu, các thí nghiệm được thực hiện và đánh giá bằng SEM, TEM, XRD và FT-IR để kiểm tra chất lượng CD-MOF

2.1. Phương Pháp Khuếch Tán Dung Môi Ưu điểm và Nhược điểm

Phương pháp khuếch tán dung môi là một kỹ thuật phổ biến được sử dụng để tổng hợp CD-MOF do tính đơn giản và khả năng kiểm soát kích thước tinh thể. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm, bao gồm thời gian phản ứng dài và hiệu suất thấp. Cần tối ưu hóa các thông số như tốc độ khuếch tán, nồng độ dung dịch và nhiệt độ để cải thiện hiệu suất tổng hợp.

2.2. Ảnh hưởng của Tỷ lệ Nguyên Liệu đến Cấu trúc MOF và Độ xốp

Tỷ lệ giữa β-cyclodextrin và base (NaOH hoặc KOH) có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và độ xốp của CD-MOF. Tỷ lệ tối ưu cần được xác định thông qua các thí nghiệm khác nhau. Tỷ lệ quá cao hoặc quá thấp có thể dẫn đến sự hình thành các pha tạp hoặc giảm diện tích bề mặt của vật liệu.

2.3. Hướng dẫn Hoạt Hóa CD MOF Tăng Diện tích bề mặt và Khả năng hấp phụ

Sau khi tổng hợp, CD-MOF cần được hoạt hóa để loại bỏ các phân tử dung môi và tạp chất còn lại trong lỗ xốp, từ đó tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Quá trình hoạt hóa thường bao gồm sấy chân không hoặc rửa bằng các dung môi khác nhau. Cần kiểm soát nhiệt độ và thời gian hoạt hóa để tránh làm hỏng cấu trúc của CD-MOF.

III. Đánh Giá Khả Năng Hấp Phụ Vitamin Của Vật Liệu CD MOF

Việc đánh giá khả năng hấp phụ Vitamin của CD-MOF là bước quan trọng để xác định tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong lưu trữ thuốc. Nghiên cứu này sử dụng Vitamin C làm chất mô hình để đánh giá khả năng hấp phụ của CD-MOF tổng hợp từ các base khác nhau (ví dụ: NaOH, KOH). Các phương pháp như quang phổ UV-Vis và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) được sử dụng để xác định lượng Vitamin C được hấp phụ vào CD-MOF. Kết quả cho thấy CD-MOF có khả năng hấp phụ Vitamin C đáng kể, mở ra tiềm năng ứng dụng trong việc bảo vệ và phân phối Vitamin C.

3.1. Sử dụng UV Vis Để Đánh Giá Lượng Vitamin C Hấp Phụ vào CD MOF

Quang phổ UV-Vis là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để xác định lượng Vitamin C được hấp phụ vào CD-MOF. Phương pháp này dựa trên việc đo độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch Vitamin C trước và sau khi tiếp xúc với CD-MOF. Sự khác biệt về độ hấp thụ cho phép tính toán lượng Vitamin C đã được hấp phụ.

3.2. So Sánh Khả Năng Hấp Phụ Vitamin C của CD MOF Na và CD MOF K

Nghiên cứu so sánh khả năng hấp phụ Vitamin C giữa CD-MOF-Na và CD-MOF-K để đánh giá ảnh hưởng của loại base sử dụng trong quá trình tổng hợp. Kết quả cho thấy CD-MOF-Na có thể có khả năng hấp phụ Vitamin C cao hơn so với CD-MOF-K do cấu trúc lỗ xốp khác nhau.

3.3. Ảnh hưởng của Nồng độ Vitamin đến Hiệu quả Lưu trữ thuốc của CD MOF

Nồng độ Vitamin C trong dung dịch có ảnh hưởng đến lượng Vitamin C được hấp phụ vào CD-MOF. Các thí nghiệm với các nồng độ Vitamin C khác nhau cần được thực hiện để xác định nồng độ tối ưu cho quá trình hấp phụ. Nồng độ quá cao có thể dẫn đến sự bão hòa của các vị trí hấp phụ trên CD-MOF.

IV. Nghiên Cứu Giải Phóng Thuốc Có Kiểm Soát Từ Vật Liệu CD MOF

Một trong những ưu điểm quan trọng của CD-MOF là khả năng giải phóng thuốc có kiểm soát, giúp duy trì nồng độ thuốc ổn định trong cơ thể và kéo dài thời gian tác dụng. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát động học giải phóng Vitamin C từ CD-MOF trong các điều kiện môi trường khác nhau (ví dụ: pH, nhiệt độ). Các kết quả thu được sẽ cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế giải phóng thuốc và khả năng điều chỉnh tốc độ giải phóng.

4.1. Khảo Sát Động Học Giải Phóng Thuốc Từ CD MOF Theo Thời Gian

Động học giải phóng thuốc mô tả tốc độ giải phóng Vitamin C từ CD-MOF theo thời gian. Các thí nghiệm được thực hiện bằng cách đo lượng Vitamin C được giải phóng vào dung dịch theo các khoảng thời gian khác nhau. Dữ liệu thu được được sử dụng để xây dựng các mô hình động học và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng.

4.2. Ảnh hưởng Của pH Đến Quá Trình Giải Phóng Vitamin C Từ CD MOF

pH của môi trường có thể ảnh hưởng đến quá trình giải phóng Vitamin C từ CD-MOF. Các thí nghiệm được thực hiện ở các pH khác nhau để xác định ảnh hưởng của pH đến tốc độ giải phóng và cơ chế giải phóng. Kết quả có thể cung cấp thông tin quan trọng để thiết kế các hệ thống phân phối thuốc phù hợp với các môi trường sinh học khác nhau.

4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến giải phóng thuốc có kiểm soát

Nhiệt độ của môi trường có thể ảnh hưởng đến quá trình giải phóng Vitamin C từ CD-MOF. Các thí nghiệm được thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau để xác định ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ giải phóng và cơ chế giải phóng. Kết quả có thể cung cấp thông tin quan trọng để thiết kế các hệ thống phân phối thuốc phù hợp với các môi trường sinh học khác nhau.

V. Tính Tương Thích Sinh Học và Độc Tính Của Vật Liệu CD MOF

Để đảm bảo an toàn khi ứng dụng CD-MOF trong lưu trữ thuốc, việc đánh giá tính tương thích sinh học và độc tính của vật liệu là vô cùng quan trọng. Nghiên cứu này thực hiện các thí nghiệm in vitro để đánh giá độc tính của CD-MOF trên các dòng tế bào khác nhau. Các thí nghiệm này giúp xác định nồng độ CD-MOF an toàn và đánh giá khả năng gây kích ứng hoặc tổn thương tế bào của vật liệu. Các nghiên cứu này là tiền đề quan trọng cho các ứng dụng in vivo trong tương lai.

5.1. Đánh Giá Độc Tính In Vitro Của CD MOF Trên Các Dòng Tế Bào

Các thí nghiệm đánh giá độc tính in vitro được thực hiện bằng cách cho các tế bào tiếp xúc với CD-MOF ở các nồng độ khác nhau và đánh giá sự sống sót và chức năng của tế bào. Các phương pháp như MTT assay và LDH assay được sử dụng để đo lường độc tính của CD-MOF.

5.2. Ảnh hưởng của Kích Thước Nanomaterials Đến Tính Tương Thích Sinh Học

Kích thước của CD-MOF có thể ảnh hưởng đến tính tương thích sinh học của vật liệu. Các hạt nanomaterials nhỏ hơn có xu hướng xâm nhập vào tế bào dễ dàng hơn, nhưng cũng có thể gây ra độc tính cao hơn. Cần tối ưu hóa kích thước của CD-MOF để đảm bảo tính tương thích sinh học tốt.

5.3. Đánh Giá tính tan của CD MOF

Tính tan của CD-MOF ảnh hưởng đến khả năng giải phóng Vitamin C từ CD-MOF. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá tính tan của CD-MOF bằng cách cho CD-MOF trong các dung môi khác nhau.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về CD MOF

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của CD-MOF trong ứng dụng lưu trữ thuốc và hấp phụ Vitamin. Kết quả cho thấy CD-MOF có khả năng hấp phụ Vitamin C đáng kể và có thể kiểm soát quá trình giải phóng thuốc. Tuy nhiên, cần thực hiện thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình tổng hợp, cải thiện khả năng hấp phụ và giải phóng, đồng thời đánh giá tính tương thích sinh học và độc tính của vật liệu một cách toàn diện. Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc sử dụng CD-MOF để lưu trữ và phân phối các loại thuốc khác nhau, cũng như phát triển các hệ thống phân phối thuốc nhắm mục tiêu sử dụng CD-MOF.

6.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Sinh Học Của CD MOF Trong Tương Lai

CD-MOF có tiềm năng ứng dụng sinh học rộng rãi trong các lĩnh vực như phân phối thuốc, chẩn đoán hình ảnh và kỹ thuật mô. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các hệ thống phân phối thuốc thông minh sử dụng CD-MOF để nhắm mục tiêu đến các tế bào ung thư hoặc các mô bị tổn thương.

6.2. Nghiên cứu cải thiện Tính Ổn Định Của CD MOF trong Môi Trường Sinh Học

Tính ổn định của CD-MOF trong môi trường sinh học là một yếu tố quan trọng cần được cải thiện. Các nghiên cứu có thể tập trung vào việc biến đổi bề mặt của CD-MOF để tăng cường tính ổn định và giảm thiểu sự phân hủy của vật liệu trong môi trường sinh học.

6.3. Nghiên Cứu Ứng Dụng CD MOF trong Vận Chuyển Thuốc

Nghiên cứu và phát triển các hệ thống vận chuyển thuốc hiệu quả sử dụng CD-MOF. Việc vận chuyển thuốc hiệu quả sẽ tăng cường hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển vượt bậc của khoa học vật liệu đã mở ra kỷ nguyên mới cho các hệ thống vi mao quản tiên tiến, trong đó vật liệu khung hữu cơ kim loại nổi lên như một bước đột phá nhờ diện tích bề mặt riêng cực lớn từ 1000 đến hơn 10000 mét vuông trên gam, vượt trội hơn hẳn so với Zeolite truyền thống vốn chỉ đạt tối đa khoảng 900 mét vuông trên gam. Mặc dù sở hữu cấu trúc tinh thể trật tự và khả năng tùy biến cao, phần lớn các hệ khung kim loại hữu cơ hiện nay vẫn sử dụng kim loại chuyển tiếp và cầu nối tổng hợp từ hóa dầu độc hại, gây cản trở lớn đối với các ứng dụng y sinh. Nhằm giải quyết triệt để rào cản này, nghiên cứu tập trung tổng hợp và khảo sát vật liệu khung hữu cơ kim loại xanh dựa trên Cyclodextrin kết hợp cùng các kim loại kiềm thân thiện sinh học gồm Natri và Kali. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là làm chủ quy trình tổng hợp không sử dụng năng lượng nhiệt, khảo sát toàn diện đặc tính cấu trúc tinh thể, độ xốp, độ bền nhiệt và đánh giá tiềm năng ứng dụng thực tế trong việc lưu trữ, ổn định hóa hoạt chất sinh học mô hình là Vitamin C. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm chuyên sâu tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Cấu trúc Vật liệu thuộc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả thu được không chỉ hoàn thiện quy trình công nghệ xanh với thời gian hình thành tinh thể kiểm soát từ 6 đến 26 ngày mà còn chứng minh khả năng hạn chế tới 45% tốc độ phân hủy tự nhiên của hoạt chất, mở ra triển vọng to lớn cho ngành công nghệ hóa dược trong việc phát triển các hệ dẫn truyền thuốc thế hệ mới an toàn và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phối hợp giữa lý thuyết mạng lưới phối trí khung hữu cơ kim loại và lý thuyết tạo phức bao gói phân tử chủ khách của Cyclodextrin. Cấu trúc khung được định hình nhờ sự liên kết giữa các cụm nút kim loại kiềm đóng vai trò khối cấu trúc thứ cấp và các phân tử sinh học vòng gồm 7 đơn vị glucopyranose của beta-cyclodextrin. Vật liệu tạo ra sở hữu mạng vi mao quản tuần hoàn ba chiều với đường kính lỗ xốp đặc trưng dưới 2 nanomet, kết hợp hoàn hảo giữa không gian khoang trong kỵ nước và bề mặt ngoài ưa nước. Hệ thống này đảm bảo sự ổn định nhiệt động học với độ bền nhiệt ghi nhận lên tới 175 đến 200 độ C, cho phép bao gói có chọn lọc và bảo vệ các phân tử dược chất nhạy cảm trước tác động tiêu cực của môi trường ngoài.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tổng hợp mẫu với cỡ mẫu khảo sát gồm 9 tỷ lệ mol beta-cyclodextrin và Natri hydroxit từ 1:3 đến 1:11, cùng 2 tỷ lệ mol đối chứng với Kali hydroxit là 1:7 và 1:8. Trong mỗi mẻ phản ứng cơ sở, 1.135 gam tương đương 1 milimol beta-cyclodextrin được hòa tan trong 20 mililit nước cất, phối trộn cùng 0.2 gam Natri hydroxit và khuếch tán chậm trong 50 mililit dung môi Methanol. Phương pháp lấy mẫu thực nghiệm ngẫu nhiên phân tầng theo tỷ lệ mol được lựa chọn nhằm kiểm soát chính xác động học tạo mầm tinh thể.

Hệ thống phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn đồng bộ:

• Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-740F và kính hiển vi điện tử truyền qua JEOL JEM 1400 dùng để quan sát trực tiếp hình thái học, cấu trúc bề mặt và độ xốp tinh thể.
• Nhiễu xạ tia X Bruker-D8 Advance sử dụng bức xạ CuK-alpha nhằm định danh độ kết tinh và xác định các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của pha tinh thể.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Bruker TENSOR37 nhằm xác nhận sự phối trí của ion kim loại vào các nhóm hydroxyl của khung vòng.
• Phân tích nhiệt trọng lượng vi sai NETZCH 409P với tốc độ gia nhiệt 10 độ C trên phút trong môi trường không khí để đo lường độ bền nhiệt.
• Thiết bị Micromeritics ASAP 2020 đo hấp phụ đẳng nhiệt khí Nitơ ở 77 Kelvin và hấp phụ khí Cacbonic siêu tới hạn nhằm xác định chính xác diện tích bề mặt riêng BET.
• Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử định lượng bằng dung dịch Iot trên Kali iotua nồng độ 0.005 M với chỉ thị hồ tinh bột 0.5% qua chu kỳ theo dõi 5 ngày liên tục để đo lường khả năng tải và độ bền của hoạt chất Vitamin C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học quan trọng:

• Thứ nhất, tỷ lệ mol nguyên liệu có tính quyết định đến hiệu suất và thời gian tạo tinh thể của hệ vật liệu Natri. Tại tỷ lệ beta-cyclodextrin và Natri hydroxit là 1:5, thời gian kết tinh hoàn tất sau 15 đến 20 ngày với hiệu suất thu trung bình đạt 59.8% qua 4 lần lặp lại thí nghiệm độc lập. Khi gia tăng tỷ lệ kiềm lên 1:8 đến 1:11, thời gian tạo mầm kéo dài trên 20 ngày và hiệu suất tinh thể giảm sâu xuống dưới 50%.
• Thứ hai, hệ vật liệu Kali thể hiện tốc độ kết tinh vượt bậc khi thời gian tạo khung chỉ mất 6 ngày ở các tỷ lệ 1:7 và 1:8, đạt hiệu suất thu hồi lần lượt là 56.4% và 58.2%.
• Thứ ba, ảnh kính hiển vi điện tử quét và truyền qua cùng giản đồ nhiễu xạ tia X khẳng định các tinh thể hình thành có cấu trúc vi xốp đồng nhất, trật tự cao và duy trì độ bền nhiệt ổn định lên đến 175 độ C.
• Thứ tư, khả năng tải hoạt chất Vitamin C đạt hiệu quả vượt trội tại các dải nồng độ dung dịch từ 0.010 M đến 0.020 M, bảo toàn hàm lượng hoạt chất sau 5 ngày ngâm chiết tốt hơn 40% so với mẫu đối chứng tự do ngoài không khí.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt rõ nét về động học kết tinh giữa hệ Natri và hệ Kali xuất phát từ bán kính ion và năng lượng hydrate hóa của cation kim loại kiềm. Cation Kali có bán kính ion lớn hơn giúp định hướng nhanh chóng các liên kết phối trí với các nguyên tử oxy trên vòng glucopyranose, rút ngắn thời gian hình thành mạng lưới tinh thể xuống chỉ còn một phần ba so với hệ Natri.

Khi so sánh với các dòng vật liệu khung kim loại kinh điển như hệ MIL-100 có sức chứa 0.347 gam thuốc trên gam vật liệu hay hệ MIL-101 chứa 1.376 gam thuốc trên gam vật liệu vốn chứa kim loại nặng Crom, vật liệu khung Cyclodextrin chứng minh ưu thế tuyệt đối về tính tương thích sinh học và độ an toàn không độc. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan và sinh động thông qua biểu đồ phân bố kích thước hạt, đường cong phân tích nhiệt trọng lượng thể hiện độ sụt khối lượng dưới 5% tại 100 độ C do mất dung môi và bảng ma trận đối sánh hiệu suất hấp phụ Vitamin C theo 3 cấp nồng độ dung dịch trong suốt chu kỳ 5 ngày theo dõi.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể cho các đơn vị liên quan:

• Rút ngắn thời gian tổng hợp quy mô công nghiệp: Các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm hóa dược cần ứng dụng kỹ thuật hỗ trợ sóng siêu âm hoặc vi sóng trong giai đoạn 2024 đến 2025 nhằm rút ngắn thời gian khuếch tán tinh thể từ 15 ngày xuống dưới 48 giờ, đồng thời nâng hiệu suất thu hồi vật liệu đạt mục tiêu trên 75%.
• Chuẩn hóa quy trình kiểm định độ nhả hoạt chất: Bộ phận nghiên cứu và phát triển tại các doanh nghiệp dược phẩm cần thiết lập hệ thống thử nghiệm hòa tan và giải phóng hoạt chất sinh học in-vitro theo chuẩn Dược điển trong lộ trình 12 tháng, bảo đảm tỷ lệ giải phóng Vitamin C duy trì ổn định trên 80% sau 72 giờ trong môi trường mô phỏng dịch thể.
• Mở rộng phạm vi lưu trữ sang các nhóm dược chất kém bền: Các nhóm nghiên cứu chuyên ngành nên mở rộng khảo sát khả năng bao gói đối với các dòng kháng sinh, thuốc chống ung thư hoặc hoạt chất tự nhiên nhạy cảm ánh sáng như Curcumin và Paclitaxel trong 6 đến 9 tháng tới, hướng tới chỉ số nạp thuốc vượt mức 30% khối lượng chất mang.
• Hoàn thiện hành lang pháp lý cho tá dược nano xanh: Cơ quan quản lý y tế và hội đồng khoa học cần phối hợp xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về đánh giá độc tính tế bào đối với vật liệu khung hữu cơ kim loại sinh học trong vòng 18 tháng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng tá dược mới vào sản xuất thương mại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn cho bốn nhóm đối tượng:

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Hóa Dược và Khoa học Vật liệu: Nắm bắt phương pháp tổng hợp hóa học xanh, kỹ thuật xử lý dữ liệu nhiễu xạ tia X, phổ hồng ngoại, hấp phụ đẳng nhiệt và phân tích nhiệt trọng lượng chuẩn xác.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các tập đoàn dược phẩm: Khai thác giải pháp mang thuốc tiên tiến nhằm nâng cao độ tan của các hoạt chất khó tan từ 27% lên trên 75%, kiểm soát tốc độ phóng thích kéo dài và nâng cao sinh khả dụng của thuốc viên.
• Các nhà khoa học trong lĩnh vực vật liệu y sinh và công nghệ nano: Ứng dụng mô hình khung phối trí sinh học để thay thế các chất mang vô cơ chứa kim loại nặng độc hại, phát triển hệ dẫn truyền thuốc trúng đích thông minh.
• Doanh nghiệp sản xuất mỹ phẩm và thực phẩm chức năng cao cấp: Tiếp cận công nghệ bao gói vi mô để ổn định hoạt tính chống oxy hóa của Vitamin C nguyên chất, ngăn ngừa triệt để hiện tượng sẫm màu sản phẩm và gia tăng hiệu quả thẩm thấu qua da lên hơn 50%.

Câu hỏi thường gặp

Khung hữu cơ kim loại gốc Cyclodextrin có điểm gì vượt trội so với các loại vật liệu xốp truyền thống? Vật liệu kết hợp hoàn hảo giữa độ xốp cao của khung kim loại và tính an toàn sinh học của Cyclodextrin tự nhiên. Không chứa kim loại nặng độc hại, khung có khả năng tự phân hủy sinh học hoàn toàn và chịu nhiệt tốt đến 175 độ C, là chất mang lý tưởng cho ngành dược phẩm.

Tại sao phương pháp khuếch tán dung môi ở nhiệt độ phòng lại được ưu tiên sử dụng? Phương pháp khuếch tán chậm giữa nước và Methanol không tiêu tốn năng lượng nhiệt, tạo điều kiện cho các mầm tinh thể hình thành trật tự cao và đồng nhất. Quá trình này giúp nâng cao độ tinh khiết của pha tinh thể và đạt hiệu suất thu hồi ổn định xấp xỉ 60%.

Cơ chế nào giúp vật liệu lưu trữ và bảo vệ hiệu quả hoạt chất Vitamin C? Khung vật liệu sở hữu các khoang rỗng kích thước nano với môi trường lưỡng ái, tạo liên kết phối trí và giữ chặt phân tử Vitamin C bên trong cấu trúc. Nhờ đó, hoạt chất được cách ly khỏi các tác nhân oxy hóa từ môi trường, duy trì hoạt tính sinh học bền vững qua 5 ngày khảo sát.

Yếu tố nào chi phối trực tiếp đến hiệu suất tổng hợp khung vật liệu Natri? Tỷ lệ mol giữa beta-cyclodextrin và Natri hydroxit đóng vai trò then chốt. Tỷ lệ 1:5 đến 1:6 mang lại hiệu suất tối ưu và thời gian tạo khung từ 15 đến 20 ngày. Nếu tăng lượng kiềm quá tỷ lệ 1:8, cấu trúc tinh thể khó tạo mầm và hiệu suất giảm mạnh xuống dưới 50%.

Sự khác biệt cốt lõi giữa hệ khung Natri và hệ khung Kali trong nghiên cứu là gì? Nhờ bán kính ion của Kali lớn hơn Natri, hệ khung Kali có tốc độ tạo mầm nhanh gấp 3 lần, hoàn thành kết tinh chỉ sau 6 ngày với hiệu suất đạt 56.4%. Cả hai hệ đều thể hiện độ xốp vi mô vượt trội và khả năng tương thích cao với phân tử hoạt chất.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hệ vật liệu khung hữu cơ kim loại xanh CD-MOF-Na và CD-MOF-K từ nguồn nguyên liệu tái tạo beta-cyclodextrin và kim loại kiềm thân thiện sinh học bằng phương pháp khuếch tán dung môi không dùng nhiệt.
• Xác định tỷ lệ mol tối ưu giữa cyclodextrin và kiềm ở mức 1:5 cho hệ Natri đạt hiệu suất 59.8% và tỷ lệ 1:7 cho hệ Kali giúp rút ngắn thời gian tạo khung xuống chỉ còn 6 ngày.
• Khẳng định cấu trúc tinh thể vi xốp trật tự cao, độ rỗng đồng đều và độ bền nhiệt xuất sắc lên tới 175 độ C thông qua chuỗi phân tích chuẩn mực gồm XRD, SEM, TEM, FT-IR và TGA.
• Chứng minh tính khả thi và hiệu quả vượt trội của vật liệu trong việc bao gói, ổn định hóa và bảo vệ hoạt chất Vitamin C chống lại hiện tượng oxy hóa tự do qua thực nghiệm chuẩn độ định lượng 5 ngày.
• Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác cho định hướng phát triển tá dược nano sinh học thế hệ mới phục vụ ngành y dược Việt Nam giai đoạn 2024 đến 2030.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tới, các nhóm nghiên cứu cần tập trung tối ưu hóa thời gian tổng hợp và đẩy mạnh thử nghiệm giải phóng dược chất trên mô hình sinh học thực nghiệm. Quý đối tác, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm hãy kết nối hợp tác học thuật ngay hôm nay để cùng thúc đẩy ứng dụng công nghệ vật liệu xanh vào thực tiễn sản xuất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. VẬT LIỆU KHUNG HƯU CƠ – KIM LOẠI (MOF) 1. Giới thiệu chung Trong những thập niên gần đây, sự phát triển của khoa học công nghệ không ngừng nâng cao, nhất là công nghiệp hóa học, người ta thường gặp các loại vật liệu có cấu trúc mao quản. Nhờ một hệ thống mao quản bên trong khá phát triển mà vật liệu mao quản có nhiều tính chất lý hóa đặc biệt, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và công nghệ thuộc nhiều ngành khác nhau như hóa học, vật lý, luyện kim, sinh học…Vật liệu xốp được chia thành ba loại: microporous có đường kinh lỗ xốp nhỏ hơn 2nm, mesoporous từ 2nm đến 5nm và macroporous lớn hơn 50nm [1].

Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOF) được tạo thành từ các nối hữu cơ và các tâm kim loại. Để có những đặc tính thuận lợi của cả vật liệu xốp hữu cơ lẫn vô cơ, khung cơ- kim MOF được biết đến như là vật liệu bền, trật tự, có diện tích bề mặt rất cao, có vai trò quan trọng cả về tách khí và xúc tác [2]. Những năm gần đây việc nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu khung hữu cơ kim loại dựa trên sự liên kết giữa ion kim loại và cầu nối hữu cơ ngày càng nhiều. Nhóm vật liệu( MOF) này được nghiên cứu thành công nhất bởi nhóm của Giáo sư Omar Yaghi tại Trường Đại học California tại thành phố Los Angeles, Mỹ (UCLA) [3].

2 a) microporous < 2nm b) mesoporous 2-50 nm c) macroporous > 50 nm Hình 1.1 Một số vật liệu vô cơ có cấu trúc mao quản Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOF) là một nhóm vật liệu lai đang được quan tâm nhiều hiện nay. Chúng gồm vô số mạng lưới tinh thể với đỉnh vô cơ (các ion kim loại hoặc cụm) và các thanh chống hữu cơ, gắn kết bằng các liên kết phối trí với lực liên kết vừa phải. Những kết quả mới đây cho thấy vật liệu có kích thước lỗ xốp nano cố định, một đặc tính chứng tỏ vật liệu có diện tích nội cao, tỷ trọng thấp, và cấu trúc lỗ xốp đồng nhất và cửa lỗ xốp có kích thước phân tử. Điều quan trọng, tính chất tinh thể của vật liệu MOF cho phép xác định cấu trúc rõ ràng bằng phương pháp XRD.

Các kiến thức về liên kết nguyên tử có thể ứng dụng mô hình tính toán của tương tác tĩnh và động năng của MOF với thế hấp phụ (tức là, dự đoán hoặc giải thích mô hình đường đẳng nhiệt nguyên tử và phân tử, năng lượng liên kết, và tác động chuyển dịch). Một số các đặc tính này được tìm thấy ở các vật liệu khác như Zeolite xốp; tuy nhiên, MOF có những khác biệt so với Zeolite. Có lẽ sự khác biệt đáng kể nhất nằm ở thành phần hữu cơ của MOF, zeolit thiếu các khung có thành phần hữu cơ.2 Sự kết nối các nút kim loại và các thanh chống hữu cơ tạo thành vật liệu có cấu trúc ba chiều. Cấu trúc của MOF được xác định bởi dạng hình học phối trí của các nút kim loại (các ion kim loại hoặc các SBU Kim loại-Carboxylate) và các thanh chống hữu cơ.

Hai SBUs kim loại-carboxylate, Cr3O(CO2)6M3 (CO2 =nhóm carboxylate; M=phân tử phối trí không cầu nối, như H2O) và Zn4O(CO2)6 , với 6 điểm định hướng nhưng hình học định hướng khác nhau, nối với nhau bằng các thanh chống BDC dẫn đến cấu trúc hình học khác nhau, MIL-88B ([Cr3OM3(BDC)3]) và IRMOF-1 ([Zn4O(BDC)3]). Kết nối tương tự các SBU Zn4O(CO2)6 bởi các thanh chống ba đầu nối BTB thay vì phối tử hai đầu BDC dẫn đến cấu trúc khác nhau MOF-177 ([Zn4O(BTB)2]). Các tính chất của khung cơ kim, như đường kính lỗ xốp, cấu trúc lỗ xốp, do đó khác nhau.3 Những cấu trúc MOFs được xây dựng bởi các cụm kim loại và thanh chống khác nhau. Kim loại polyheron: màu xanh, Oxi:màu đỏ, Carbon:màu đen.

Các khối cầu màu vàng nằm ở lỗ xốp. Các nút kim loại kiểm soát dạng hình học (thẳng hàng, tứ diện, bát diện, .) và định hướng các liên kết với thanh chống hữu cơ như cường độ liên kết, định hướng kích thước lỗ xốp. Việc hiểu được cơ chế hình học của phối trí giữa các nút kim loại và các thanh chống hữu cơ sẽ giúp dự đoán hình học khung mạng và cách thức tổng hợp MOF có kích thước cụ thể, kích thước lỗ xốp và đặc trưng riêng. Đặc tính của MOF So với các vật liệu xốp khác, vật liệu MOF có những ưu điểm như: kết hợp cả thành phần hữu cơ và vô cơ; có cấu trúc dạng tinh thể trật tự ba chiều xác định, có độ xốp cao và có khả năng biến đổi cấu trúc.

Một trong các đặc điểm nổi bật của loại vật liệu này là bề mặt riêng cực lớn, tới hàng nghìn m2/g. Thực nghiệm đã cho thấy vật liệu MOF là loại vật liệu có bề mặt riêng rất cao .Bề mặt riêng cao nhất của vật liệu zeolit là khoảng 900 m2/g trong khi đó MOF-200 có thể đạt tới 10000 m2/g [4]. 5 Đặc trưng quan trọng của MOFs là kích thước, hình dạng, chiều của lỗ xốp và tác động hóa học đến môi trường có thể được kiểm soát tốt khi lựa chọn các cấu trúc polimer thích hợp. Với mỗi cấu trúc, nó sẽ chọn lọc các phân tử đi qua giống như một rây phân tử.

Kitagawa và cộng sự khảo sát phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyde với các hợp chất methylene hoạt động như malonitrile, ethyl cyanoacetate, cyano- acetic acid, tert-butyl ester, dùng xúc tác polymer phối trí xốp 3D [Cd(4- btapa)2(NO3)2]·6H2O·2DMF)n được tổng hợp từ từ phản ứng giữa Cd(NO3)2·4H2O và amide (4-btapa). Kết quả malonitrile cho độ chuyển hóa đạt cao nhất 98 %, trong khi các chất còn lại đạt kết quả không đáng kể, nguyên nhân do kích thước của chất phản ứng và kích thước lỗ xốp. Các phân tử phản ứng bên trong qua trạng thái chuyển tiếp. MOFs cũng có thể được thay đổi, nâng cao chức năng bằng các nhóm chức để hình thành các vật liệu mới.

MOF được xác định là vật liệu có cấu trúc tinh thể đồng đều nhất, do cấu trúc vách ngăn ở dạng phân tử khác biệt với những vách ngăn dày trong cấu trúc vật liệu xốp vô cơ thông thường. Hấp phụ, tách và lưu trữ khí Khả năng hấp phụ, tách khí của một vật liệu xốp phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và tính chất hóa lý của chất hấp phụ, thành phần của hỗn hợp khí và của cả bản thân vật liệu xốp. Khả năng tách khí được xác định dực trên sự khác biệt của lực tương tác giữa từng khí thành phần với vật liệu xốp. Sự khác biệt đó quyết định bởi các yếu tố như lập thể, động học hay cân bằng.

Một vật liệu hấp phụ tốt cần đáp ứng các yếu tố như có khả năng hấp phụ cao, nhanh đạt đến cân bằng hấp phụ, độ chọn lọc cao, sự hấp phụ là thuận nghịch (có khả năng giải hấp) và có độ bền nhiệt chấp nhận được. Để đáp ứng tốt các yếu tố trên, các đặc điểm cấu trúc và tính chất hóa lý của vật liệu xốp như diện tích bề mặt riêng, tính chất của lỗ xốp (kích thước, thể tích, loại nhóm chức hóa học) cần có thể điều chỉnh được. Tuy nhiên việc điều chỉnh này không dễ thực hiện 6 được với đa số các loại vật liệu xốp.1 [5-28] trình bày sự so sánh các đặc điểm cấu trúc và tính chất hóa lý giữa một số các loại vật liệu xốp thông dụng trong công nghiệp và vật liệu MOFs.1 So sánh các đặc điểm cấu trúc và tính chất hóa lý giữa một số các loại vật liệu xốp thông dụng trong công nghiệp và vật liệu MOF Vật liệu Đặc điểm cấu trúc và lỗ xốp Diện tích Kích thước lỗ xốp xốp bề mặt riêng (m2/g) Silica gel Vô định hình; hình dạng, kích Đường kính trung thước lỗ xốp không đồng đều; bình: 20 – 30 Å. các nhóm chức bề mặt chủ yếu là nhóm hydroxyl gần như trung tính.

Alumina Vô định hình; hình dạng, kích Đường kính trung < 1000 hoạt tính thước lỗ xốp không đồng đều; bình: 20 – 50 Å. các nhóm chức bề mặt chủ yếu là nhóm hydroxyl tính axit hay bazơ. Zeolite Tinh thể; hình dạng, kích Đường kính cửa sổ thước lỗ xốp đồng đều. Carbon Vô định hình; hình dạng, kích Đường kính trung hoạt tính thước lỗ xốp không đồng đều; Đến vài bình: 3 – 100 Å.

độ phân cực trên bề mặt ngàn không đồng đều. 7 Carbon rây Vô định hình; kích thước lỗ Đường kính cửa sổ: phân tử xốp lớn hơn trong cacbon hoạt 3 – 5 Å. MOFs Tinh thể; hình dạng, kích thước và nhóm chức bề mặt lỗ xốp có thể điều chỉnh linh hoạt. Việc lựa chọn vật liệu hấp phụ còn được xem xét dựa trên kích thước và một số tính chất hóa lý của khí được hấp phụ.

Các tính chất đó là khả năng phân cực, độ cảm từ, momen lưỡng cực thường trực, momen tứ cực, tính acid-base, tính oxi hóa−khử và tính chất phối trí. Các thông số trên của một số chất khí và hơi quan trọng được tóm tắt trong Bảng 1.2 Tính chất hóa lý của một số khí và hơi. Khí Đường kính Khả năng Momen lưỡng Momen tứ Điểm hấp động học phân cực × cực µ × 1018 cực × 1026 Tính chất sôi (K) 25 3 2 phụ (Å) 10 (cm ) (esu cm) (esu cm ) H2 20.50 σ−cho/π−nhận CO2 216.30 axit Oxi hóa−khử, NO 121.15872 − σ−cho Oxi hóa−khử, NO2 302.16083 − Oxi hóa−khử Acid, SO2 263.63305 − σ−cho/π−nhận, oxi hóa−khử Acid, oxi H2S 212.97833 − hóa−khử σ−cho, liên kết H2O 373.93 0 0 − Hydrogen có thể được lưu giữ trong vật liệu MOFs chủ yếu bởi hấp phụ vật lý với năng lượng tương tác khoảng 4-8 kJ mol-1. Do đó, các nghiên cứu hiện nay đa số được thực hiện ở 77 K.

Các tính toán lý thuyết cho thấy cần năng lượng tương tác khoảng 15 kJ.mol-1 để H2 có thể được lưu giữ ở nhiệt độ phòng và áp suất 1,5-20 bar. 9 Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại như phương pháp nhiễu xạ/tán xạ nơtron [30-34] hay các tính toán lý thuyết [35] cho thấy những vị trí có thể tương tác với phân tử hydrogen trong một số vật liệu MOFs là tâm kim loại chưa bão hòa số phối trí và cầu nối hữu cơ.