Luận Văn Thạc Sĩ Công Nghệ Hóa Học: Nghiên Cứu Ứng Dụng CDMOF Trong Lưu Trữ Thuốc

Nghiên cứu ứng dụng CDMOF trong lưu trữ thuốc, luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học, khám phá tiềm năng vật liệu mới trong dược phẩm.

• Tác giả: Tôn Anh Minh Trí
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Thị Hồng Nhan
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• 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 HƯU 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
• 3.2.7.1. Lượng Vitamin C hấp phụ vào vật liệu CD-MOF-Na
• 3.2.7.2. 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. Giới thiệu chung về CDMOF và ứng dụng trong lưu trữ thuốc

CDMOF (Cyclodextrin-based Metal-Organic Frameworks) là một loại vật liệu khung hữu cơ - kim loại được tổng hợp từ β-cyclodextrin và các bazơ như NaOH, KOH. Vật liệu này nổi bật với cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt lớn, và khả năng kiểm soát kích thước lỗ xốp. CDMOF được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực lưu trữ thuốc nhờ các đặc tính như độc tính thấp, khả năng phân hủy sinh học, và khả năng thích nghi với nhiều thành phần hóa học. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng CDMOF trong việc lưu trữ và giải phóng thuốc, đặc biệt là vitamin C, nhằm tối ưu hóa hiệu quả của các hệ thống phân phối thuốc.

1.1. Cấu trúc và tính chất của CDMOF

CDMOF được tạo thành từ các cầu nối hữu cơ và các tâm kim loại, tạo ra một cấu trúc ba chiều với các lỗ xốp có kích thước nano. Vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn, lên đến hàng nghìn m²/g, và khả năng kiểm soát hình dạng và kích thước lỗ xốp. Các phương pháp phân tích như SEM, TEM, XRD, và FT-IR được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của CDMOF. Kết quả cho thấy vật liệu có độ xốp cao và khả năng hấp phụ tốt, đặc biệt là với các phân tử thuốc như vitamin C.

1.2. Ứng dụng của CDMOF trong lưu trữ thuốc

CDMOF được xem là một vật liệu tiềm năng trong lưu trữ thuốc nhờ khả năng kiểm soát quá trình hấp phụ và giải phóng thuốc. Nghiên cứu này tập trung vào việc đưa vitamin C vào CDMOF để kiểm tra khả năng hấp phụ của vật liệu. Kết quả cho thấy CDMOF có khả năng hấp phụ vitamin C hiệu quả, với tỷ lệ hấp phụ cao và ổn định. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng CDMOF trong các hệ thống phân phối thuốc, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ dược phẩm.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp khuếch tán dung môi để tổng hợp CDMOF từ β-cyclodextrin và NaOH, KOH. Các phương pháp phân tích như SEM, TEM, XRD, và FT-IR được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy CDMOF có cấu trúc tinh thể đồng đều và độ xốp cao. Vitamin C được đưa vào CDMOF để kiểm tra khả năng hấp phụ, và kết quả cho thấy vật liệu có khả năng hấp phụ vitamin C hiệu quả, với tỷ lệ hấp phụ cao và ổn định.

2.1. Tổng hợp và đặc tính của CDMOF

CDMOF được tổng hợp bằng phương pháp khuếch tán dung môi từ β-cyclodextrin và NaOH, KOH. Các phương pháp phân tích như SEM, TEM, XRD, và FT-IR được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy CDMOF có cấu trúc tinh thể đồng đều, diện tích bề mặt lớn, và độ xốp cao. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của CDMOF trong các lĩnh vực như lưu trữ thuốc và công nghệ dược phẩm.

2.2. Khả năng hấp phụ vitamin C của CDMOF

Vitamin C được đưa vào CDMOF để kiểm tra khả năng hấp phụ của vật liệu. Kết quả cho thấy CDMOF có khả năng hấp phụ vitamin C hiệu quả, với tỷ lệ hấp phụ cao và ổn định. Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng CDMOF trong các hệ thống phân phối thuốc, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ dược phẩm. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng CDMOF có thể được sử dụng để kiểm soát quá trình giải phóng thuốc, tối ưu hóa hiệu quả của các hệ thống phân phối thuốc.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của CDMOF trong lưu trữ thuốc, đặc biệt là với vitamin C. CDMOF có cấu trúc tinh thể đồng đều, diện tích bề mặt lớn, và độ xốp cao, giúp tối ưu hóa quá trình hấp phụ và giải phóng thuốc. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng mới cho CDMOF trong công nghệ dược phẩm, đặc biệt là trong các hệ thống phân phối thuốc. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng CDMOF trong các lĩnh vực khác nhau.

3.1. Giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của CDMOF trong lưu trữ thuốc, đặc biệt là với vitamin C. CDMOF có cấu trúc tinh thể đồng đều, diện tích bề mặt lớn, và độ xốp cao, giúp tối ưu hóa quá trình hấp phụ và giải phóng thuốc. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng mới cho CDMOF trong công nghệ dược phẩm, đặc biệt là trong các hệ thống phân phối thuốc.

3.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng CDMOF trong các lĩnh vực khác nhau. Nghiên cứu này cũng mở ra hướng phát triển mới cho CDMOF trong công nghệ dược phẩm, đặc biệt là trong các hệ thống phân phối thuốc. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng CDMOF trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển mạnh mẽ của công nghệ dược phẩm hiện đại, nhu cầu phát triển các hệ mang dẫn thuốc thông minh nhằm bảo vệ các hoạt chất sinh học kém bền chiếm hơn 40% tổng số các nghiên cứu dược chất mới. Các hệ chất mang truyền thống như liposome, polymer tổng hợp hay zeolite vô cơ thường bộc lộ những rào cản lớn về việc kiểm soát tốc độ giải phóng, độc tính của kim loại nặng hoặc diện tích bề mặt bị giới hạn dưới 900 m2/g. Để giải quyết triệt để vấn đề này, hướng nghiên cứu vật liệu khung hữu cơ - kim loại (MOF) thân thiện môi trường đã mở ra bước đột phá vượt bậc nhờ diện tích bề mặt cực lớn và cấu trúc mao quản có thể điều chỉnh linh hoạt.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Hóa học với đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng CD-MOF trong lưu trữ thuốc tập trung vào mục tiêu tổng hợp thành công vật liệu khung kim loại hữu cơ thế hệ mới trên nền tảng oligosaccharide tự nhiên là beta-cyclodextrin kết hợp cùng các cation kim loại kiềm an toàn sinh học như natri và kali. Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2014, tập trung khảo sát các dải tỷ lệ mol beta-cyclodextrin với kiềm từ 1:3 đến 1:11 nhằm tối ưu hóa điều kiện kết tinh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện rõ qua việc đạt hiệu suất tổng hợp sản phẩm CD-MOF-Na trung bình 59,2%, độ bền nhiệt vượt 175 độ C và chứng minh thành công khả năng hấp phụ, bảo vệ phân tử Vitamin C (axit ascorbic, C6H8O6) chống lại sự oxy hóa phân hủy trong môi trường thực nghiệm kéo dài 5 ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa giữa ba nền tảng lý thuyết cốt lõi trong hóa học vật liệu và công nghệ dẫn truyền thuốc:

Thứ nhất, lý thuyết hóa học siêu phân tử và tương tác chủ - khách (Host-Guest Chemistry) của Cyclodextrin. Phân tử beta-cyclodextrin gồm 7 đơn vị glucopyranose liên kết vòng tạo thành cấu trúc hình nón cụt đặc thù với phần khoang lõi kỵ nước và bề mặt ngoài ưa nước, cho phép bao bọc các phân tử thuốc kém bền để gia tăng độ tan và độ ổn định.

Thứ hai, khung lý thuyết về vật liệu khung hữu cơ - kim loại MOF kết hợp nút kim loại đóng vai trò là đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) phối trí cùng các cầu nối hữu cơ để tạo mạng lưới không gian ba chiều có trật tự cao.

Thứ ba, lý thuyết hấp phụ trên vật liệu vi xốp mao quản với đường kính mao quản nhỏ hơn 2 nm. Trong hệ vật liệu CD-MOF, 6 khối beta-cyclodextrin liên kết phối trí với 8 cation kim loại kiềm tạo nên các khoang rỗng hình cầu đồng đều, mang lại diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn hàng nghìn lần so với vật liệu đặc khối thông thường.

Phương pháp nghiên cứu

Quá trình thực nghiệm sử dụng nguồn dữ liệu thu thập trực tiếp từ các mẻ tổng hợp tinh thể và hệ thống phân tích hóa lý hiện đại. Phương pháp chế tạo CD-MOF dựa trên nguyên lý khuếch tán dung môi chậm (solvent diffusion) không tiêu tốn năng lượng nhiệt. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 1 mmol (tương đương 1,135 g) beta-cyclodextrin phối trộn cùng dung dịch kiềm (0,2 g NaOH hoặc KOH) trong 20 mL nước cất, sau đó cho khuếch tán chậm vào 50 mL methanol trong thời gian từ 6 đến 26 ngày.

Mẫu tổng hợp được chọn lọc qua 9 tỷ lệ phối trộn CD:NaOH và 2 tỷ lệ CD:KOH, trong đó tỷ lệ tối ưu 1:5 được lặp lại 4 đợt độc lập để đảm bảo độ tin cậy thống kê cao. Các phương pháp phân tích cấu trúc được lựa chọn bao gồm:

• Nhiễu xạ tia X dạng bột (XRD Bruker-D8 Advance, bức xạ CuK-alpha) để xác định độ tinh thể hóa và góc phản xạ đặc trưng của khung mạng.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR Brucker TENSOR37) nhằm kiểm chứng sự phối trí của ion natri và kali vào nhóm chức hydroxyl của vòng cyclodextrin.
• Kính hiển vi điện tử quét SEM (JEOL JSM-740F) và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM (JEOL JEM 1400) để đánh giá hình thái học, độ mịn và độ đồng nhất kích thước lỗ xốp.
• Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt Nitơ ở 77 K (thiết bị Micromeritics ASAP 2020) và CO2 siêu tới hạn để tính toán diện tích bề mặt riêng BET.
• Phân tích nhiệt trọng lượng TGA/DTA (NETZSCH 409P với tốc độ gia nhiệt 10 độ C/phút trong không khí) đánh giá độ bền nhiệt.
• Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử bằng dung dịch I2/KI 0,005 M với chỉ thị hồ tinh bột được theo dõi liên tục trong 5 ngày để định lượng chính xác hàm lượng Vitamin C được lưu trữ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện quan trọng có giá trị học thuật cao:

Thứ nhất, tỷ lệ phối trộn nguyên liệu quyết định trực tiếp đến thời gian tạo mầm và hiệu suất thu hồi sản phẩm. Tại tỷ lệ mol CD:NaOH là 1:5, tinh thể CD-MOF-Na bắt đầu xuất hiện sau 15 ngày và kết thúc kết tinh ở ngày thứ 20, mang lại hiệu suất thu hồi trung bình đạt 59,2% (dao động ổn định từ 58% đến 61% qua 4 lần tổng hợp lặp lại). Khi tăng tỷ lệ CD:NaOH vượt ngưỡng 1:8, thời gian kết tinh kéo dài trên 20 ngày và hiệu suất tụt giảm mạnh xuống dưới 50%.

Thứ hai, việc sử dụng tâm kim loại kali (CD-MOF-K) cho tốc độ kết tinh vượt trội so với natri. Tại tỷ lệ CD:KOH 1:7, quá trình kết tinh hoàn tất chỉ sau 6 ngày với hiệu suất thu hồi đạt 56,4%, tinh thể có độ đồng đều hình thái cao hơn.

Thứ ba, các phân tích cấu trúc vật lý khẳng định vật liệu tổng hợp có độ tinh thể hóa sắc nét trên giản đồ XRD với các góc tán xạ đặc trưng. Phân tích TGA/DTA cho thấy CD-MOF-Na duy trì độ bền nhiệt ổn định đến 175 độ C và CD-MOF-K ổn định đến 200 độ C, chỉ mất 2,4% khối lượng ở mốc 100 độ C do sự bay hơi của các phân tử nước liên kết tự do.

Thứ tư, khảo sát khả năng lưu giữ Vitamin C ở 3 dải nồng độ từ 0,0110 M đến 0,0201 M qua các tỷ lệ phối trộn 1:1, 2:1 và 3:1 đã chứng minh khung CD-MOF bảo vệ dược chất hiệu quả, hạn chế tối đa sự suy giảm hàm lượng do oxy hóa trong suốt chu kỳ 5 ngày theo dõi.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo khung xốp của CD-MOF được hình thành bởi sự liên kết phối trí định hướng giữa cation kim loại kiềm với các nguyên tử oxy trên vòng glucopyranose, tạo nên vi môi trường bảo vệ kép bao gồm khoang kỵ nước nội tại của cyclodextrin và các lỗ xốp mao quản liên kết không gian ba chiều. Khi nạp Vitamin C vào khung, các phân tử axit ascorbic được cố định vững chắc thông qua liên kết hydro và hiệu ứng giam giữ không gian, ngăn chặn sự tiếp xúc của các tác nhân oxy hóa từ môi trường ngoài.

So sánh với các dòng MOF kim loại chuyển tiếp truyền thống như MIL-100(Cr) đạt dung lượng nạp ibuprofen 0,347 g/g hay MIL-101(Cr) nạp 1,376 g/g nhưng tiềm ẩn độc tính kim loại nặng của crom, vật liệu CD-MOF thể hiện ưu thế tuyệt đối về tính tương thích sinh học và độ an toàn cho cơ thể người. Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa rõ nét thông qua biểu đồ cột so sánh hiệu suất tổng hợp theo từng tỷ lệ mol, đường cong phân tích nhiệt trọng lượng TGA biểu diễn sự suy giảm khối lượng theo nhiệt độ từ 30 đến 500 độ C, và đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ thể hiện tỷ lệ bảo toàn nồng độ Vitamin C ổn định xuyên suốt 5 ngày chuẩn độ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp và khuyến nghị ứng dụng mang tính khả thi cao:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình tổng hợp xanh quy mô bán công nghiệp (pilot 5 đến 10 kg mỗi mẻ) nhằm rút ngắn thời gian khuếch tán dung môi từ 15 - 20 ngày xuống dưới 5 ngày bằng cách tích hợp công nghệ hỗ trợ sóng siêu âm hoặc gia nhiệt vi sóng chọn lọc. Giải pháp này hướng tới mục tiêu nâng hiệu suất thu hồi sản phẩm lên trên 75% và giảm 40% chi phí dung môi methanol tái chế trong thời gian triển khai 12 tháng do các viện nghiên cứu kỹ thuật hóa học chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tối ưu hóa công đoạn xử lý sau tổng hợp bằng phương pháp sấy thăng hoa kết hợp hoạt hóa chân không bằng dòng khí CO2 siêu tới hạn. Mục tiêu là nâng diện tích bề mặt riêng BET đạt trên 1000 m2/g và duy trì độ bền nhiệt trên 200 độ C trong khung thời gian 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu tiên tiến đảm trách.

Thứ ba, mở rộng phổ thử nghiệm lưu trữ và giải phóng có kiểm soát trên các hoạt chất dược lý kém tan, nhạy cảm với ánh sáng như Curcumin, Paclitaxel hoặc Ibuprofen. Mục tiêu đặt ra là đạt tỷ lệ nạp thuốc vượt 30% khối lượng và kéo dài thời gian nhả thuốc liên tục từ 72 đến 144 giờ trong môi trường dịch sinh lý mô phỏng pH 7,4, thực hiện trong vòng 18 tháng bởi các trung tâm nghiên cứu phát triển sinh dược phẩm.

Thứ tư, tiến hành đánh giá toàn diện độc tính tế bào In Vitro và tương thích mô In Vivo theo tiêu chuẩn y tế quốc tế. Mục tiêu là đạt tỷ lệ sống sót của tế bào trên 95% ở nồng độ chất mang 500 microgam/mL trong thời gian kiểm định 9 tháng, do các phòng thí nghiệm kiểm nghiệm độc chất phối hợp doanh nghiệp dược phẩm tiến hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm của luận văn là nguồn tài liệu chuyên khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Hóa Dược và Khoa học Vật liệu. Công trình cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về tổng hợp Bio-MOF, kỹ thuật xử lý dữ liệu nhiễu xạ XRD, phổ hồng ngoại FT-IR, phân tích BET và TGA, phục vụ trực tiếp cho việc phát triển các đề tài luận án vật liệu xốp tiên tiến.

Thứ hai, các kỹ sư và chuyên gia R&D tại các doanh nghiệp sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm chức năng. Luận văn cung cấp giải pháp ứng dụng khung CD-MOF làm tá dược bao gói cao cấp nhằm bảo vệ các vitamin nhạy cảm và tăng sinh khả dụng của hoạt chất trong các dạng bào chế viên nén, viên nang.

Thứ ba, giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật và y dược. Công trình đóng vai trò làm tài liệu tham khảo giảng dạy cho các học phần Vật liệu Y sinh, Hóa học Phối trí và Hệ thống Phân phối Thuốc Nano.

Thứ tư, các nhà đầu tư công nghệ và chuyên viên đánh giá dự án đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực hóa học xanh. Luận văn cung cấp bức tranh thực nghiệm rõ ràng về tiềm năng thương mại hóa các hệ chất mang sinh học phân hủy hoàn toàn, hỗ trợ ra quyết định đầu tư vào các dự án sản xuất tá dược thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

CD-MOF có ưu điểm vượt trội nào so với các dòng MOF truyền thống như MIL-100 hay HKUST-1?

CD-MOF được tổng hợp hoàn toàn từ nguồn nguyên liệu tái tạo tự nhiên beta-cyclodextrin và các cation kim loại kiềm không độc hại như natri, kali. Khác với các dòng MOF chứa kim loại nặng như crom hay đồng, CD-MOF có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn, độ xốp cao và cực kỳ an toàn cho các ứng dụng dẫn truyền thuốc qua đường uống.

Tại sao tỷ lệ mol CD:NaOH ở mức 1:5 được xác định là thông số tối ưu nhất?

Kết quả khảo sát thực nghiệm qua 4 lần lặp lại độc lập cho thấy tỷ lệ mol 1:5 đem lại hiệu suất kết tinh cao và ổn định nhất đạt 59,2%, đồng thời cho cấu trúc mạng tinh thể trật tự cao nhất. Các tỷ lệ kiềm cao hơn như 1:8 đến 1:11 kéo dài thời gian kết tinh trên 20 ngày và làm hiệu suất giảm xuống dưới 50%.

CD-MOF bảo vệ hoạt chất Vitamin C khỏi quá trình oxy hóa bằng cơ chế nào?

Phân tử Vitamin C được lưu giữ bên trong các khoang rỗng nano của CD-MOF nhờ liên kết hydro và hiệu ứng giam giữ không gian. Cấu trúc mao quản kín ngăn cản sự tiếp xúc trực tiếp của oxy và các gốc tự do với nhóm enediol nhạy cảm của Vitamin C, bảo toàn hoạt tính sinh học trong suốt 5 ngày thử nghiệm với dung dịch chuẩn độ I2/KI 0,005 M.

Phương pháp khuếch tán dung môi trong tổng hợp CD-MOF có những điểm mạnh và hạn chế gì?

Ưu điểm vượt trội của phương pháp là phản ứng diễn ra hoàn toàn ở nhiệt độ phòng, không sử dụng nhiệt năng, giúp tinh thể hình thành có độ hoàn hảo cấu trúc cao. Nhược điểm duy nhất là thời gian khuếch tán kéo dài từ 6 ngày đối với CD-MOF-K đến 15 - 20 ngày đối với CD-MOF-Na, đòi hỏi cải tiến bằng công nghệ vi sóng hoặc siêu âm khi nâng quy mô.

Độ bền nhiệt và độ tan của CD-MOF ảnh hưởng như thế nào đến khả năng ứng dụng thực tế?

Phân tích nhiệt trọng lượng TGA khẳng định CD-MOF-Na bền nhiệt đến 175 độ C và CD-MOF-K bền đến 200 độ C, đảm bảo khả năng gia công sấy bảo quản dược phẩm. Vật liệu hoàn toàn không tan trong methanol nhưng có khả năng phân rã có kiểm soát trong nước, tạo điều kiện lý tưởng để giải phóng hoạt chất từ từ khi đi vào hệ tiêu hóa.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu khung kim loại hữu cơ xanh CD-MOF-Na và CD-MOF-K từ nguồn nguyên liệu tự nhiên beta-cyclodextrin bằng phương pháp khuếch tán dung môi thân thiện môi trường.
• Xác lập tỷ lệ mol tối ưu giữa beta-cyclodextrin và NaOH là 1:5 cho hiệu suất thu hồi sản phẩm đạt 59,2% và tỷ lệ với KOH là 1:7 giúp rút ngắn thời gian kết tinh xuống còn 6 ngày.
• Khẳng định cấu trúc tinh thể xốp đồng nhất qua các phương pháp phân tích XRD, FT-IR, SEM, TEM và chứng minh độ bền nhiệt vượt trội trong khoảng 175 đến 200 độ C bằng TGA/DTA.
• Chứng minh thành công khả năng nạp và bảo vệ phân tử Vitamin C chống lại sự oxy hóa trong chu kỳ thực nghiệm 5 ngày liên tục bằng phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử.
• Đặt nền móng vững chắc cho hướng phát triển các hệ chất mang nano phân hủy sinh học ứng dụng trong công nghệ hóa dược và bào chế thuốc tại Việt Nam.

Đóng góp chính của luận văn là đã làm chủ quy trình tổng hợp Bio-MOF xanh không độc hại, giải quyết bài toán cốt lõi về bảo vệ các hoạt chất sinh học kém bền. Kế hoạch nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tối ưu hóa động học giải phóng thuốc trong 6 tháng tới và tiến hành thử nghiệm tiền lâm sàng trong vòng 12 tháng tiếp theo. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại Thư viện Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh để kết nối hợp tác chuyển giao và mở rộng quy mô ứng dụng công nghệ.

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.