Luận Văn Thạc Sĩ: Phát Triển Hydrogel Nhạy Nhiệt Kết Hợp Chiết Xuất Kháng Viêm Tự Nhiên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu phát triển hydrogel nhạy nhiệt kết hợp chiết xuất kháng viêm tự nhiên, ứng dụng tiềm năng trong y sinh.

• Tác giả: Le Thanh Hai Trieu
• Người hướng dẫn: Assoc Prof. Ha Cam Anh, Ph.
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Phát triển vật liệu hydrogel composite nhạy nhiệt mang chiết xuất tự nhiên có hoạt tính kháng viêm
• Loại tài liệu: Master’s thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATION
• PREFACE
• 1. CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW
• 1.1. Wound healing process and the impacts of betel leaf extracts on wound healing
• 1.2. Wound and the physiological processes in wound healing
• 1.3. Inflammatory response phase and its role in wound healing
• 1.4. Termination of inflammatory responses to promote wound healing
• 1.5. Over-the-counter anti-inflammatory drugs and their effects on wound healing
• 1.6. Natural extracts and their anti-inflammatory properties
• 1.7. Betel leaf extract as a therapeutic agent to alleviate inflammation in wounds
• 1.8. Carrier system and their relevance in delivering natural extracts
• 1.9. Nanoparticles as delivery systems
• 1.10. Hydrogel as a macro-delivery system
• 1.11. Chitosan and its applications as carrier systems for delivering natural products to promote wound healing
• 1.12. Chitosan and its application in delivering bioactive products
• 1.13. Thermosensitive hydrogel composite material derived from chitosan for wound healing application
• 1.14. Research status on chitosan-based hydrogel composite delivery system
• 2. CHAPTER 2: EXPERIMENT
• 2.1. Research objective and contents
• 2.2. Materials, equipment, and instrumentations
• 2.3. Extraction and determination of bioactive content in betel leaf ethanolic extract
• 2.4. BLE extraction procedure
• 2.5. Determination of total flavonoid and total polyphenolic content in BLE
• 2.6. Study on activity of BLE
• 2.7. Preparation of BLE-loaded chitosan nanoparticles
• 2.8. Preparation of chitosan hydrogel composite material delivering BLE-loaded chitosan nanoparticles
• 2.9. Characterization of chitosan-based nanoparticles and hydrogels
• 2.9.1. Particle size distribution analysis
• 2.9.2. Chemical structure analysis
• 2.9.3. Evaluation of encapsulation efficiency and loading capacity of chitosan nanoparticles
• 2.9.4. Evaluation of antibacterial activity of BLE-loaded chitosan nanoparticles
• 2.9.5. Evaluation of sol-gel behavior of hydrogel composite material
• 2.9.6. Evaluation of mechanical strength of hydrogel composite material
• 2.9.7. Evaluation of swelling ratio of hydrogel composite material
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Assessment of the ethanolic betel leaf extract
• 3.2. Preparation of BLE-loaded chitosan nanoparticles
• 3.3. Effect of BLE concentration on particle size and stability of the nanoparticle system
• 3.4. Effect of BLE concentration on encapsulation efficiency and loading capacity of the nanoparticle system
• 3.5. Antibacterial activity of BLE-loaded chitosan nanoparticles
• 3.6. Morphology of chemical structure analysis
• 3.7. Preparation of hydrogel composite material
• 3.8. Effect of sodium bicarbonate and gelatin on hydrogel physicochemical properties
• 3.9. Effect of NCS-BLE loading on hydrogel properties
• 3.10. Cumulative release of BLE from hydrogel/nanoparticle matrix
• 3.11. Release kinetics and release mechanism of BLE from hydrogel/nanoparticle matrix
• 4. CHAPTER 4: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATION

Tóm tắt

I. Phát triển hydrogel nhạy nhiệt

Hydrogel nhạy nhiệt là một loại vật liệu polymer có khả năng thay đổi trạng thái vật lý dưới tác động của nhiệt độ. Trong nghiên cứu này, hydrogel nhạy nhiệt được phát triển từ hai thành phần chính là chitosan và gelatin. Chitosan là một polymer sinh học có nguồn gốc từ vỏ giáp xác, có tính tương thích sinh học cao, khả năng kháng khuẩn và phân hủy sinh học. Gelatin là một protein có nguồn gốc từ collagen, giúp tăng cường tính đàn hồi và độ bền cơ học của hydrogel. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống hydrogel có khả năng chuyển pha sol-gel nhanh chóng ở nhiệt độ sinh lý, phù hợp cho ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong việc điều trị vết thương.

1.1. Tính chất của hydrogel

Tính chất của hydrogel được đánh giá qua các yếu tố như thời gian chuyển pha, độ bền cơ học và khả năng trương nở. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hydrogel tổng hợp từ 2% chitosan, 0.25% gelatin và 6% β-glycerophosphate có thời gian chuyển pha từ 5.29 phút ở nhiệt độ sinh lý. Việc bổ sung natri bicarbonate làm tác nhân đồng liên kết ngang giúp tăng cường độ bền cơ học của hệ hydrogel, với khả năng chịu nén lên đến 0.049N và mô đun đàn hồi là 3 kPa. Đây là những đặc tính quan trọng để hydrogel có thể ứng dụng trong việc băng bó vết thương.

1.2. Ứng dụng hydrogel trong y học

Ứng dụng hydrogel trong y học tập trung vào việc sử dụng như một hệ thống dẫn truyền thuốc có kiểm soát. Hydrogel nhạy nhiệt từ chitosan và gelatin có khả năng giải phóng các hợp chất hoạt tính một cách từ từ, giúp tăng hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng hydrogel có thể giải phóng khoảng 60% flavonoid từ chiết xuất lá trầu sau 3 giờ, phù hợp cho việc điều trị vết thương và giảm viêm.

II. Chiết xuất kháng viêm tự nhiên

Chiết xuất kháng viêm tự nhiên từ lá trầu không (Betel leaf extract - BLE) được sử dụng trong nghiên cứu này nhờ vào các hợp chất hoạt tính như flavonoid và phenolic. Các hợp chất này có khả năng kháng viêm, kháng khuẩn và thúc đẩy quá trình lành vết thương. Phương pháp chiết xuất hỗ trợ siêu âm được áp dụng để thu được chiết xuất ethanol từ lá trầu không, với tổng hàm lượng flavonoid là 1463.09 mg RE/g và tổng hàm lượng phenolic là 232.53 mg GAE/g.

2.1. Phương pháp chiết xuất tự nhiên

Phương pháp chiết xuất tự nhiên được sử dụng trong nghiên cứu là chiết xuất hỗ trợ siêu âm, giúp tăng hiệu suất thu hồi các hợp chất hoạt tính từ lá trầu không. Kết quả cho thấy, chiết xuất ethanol thu được có hàm lượng flavonoid và phenolic cao, đảm bảo hiệu quả kháng viêm và kháng khuẩn. Đây là một phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường, phù hợp cho việc sản xuất quy mô lớn.

2.2. Kháng viêm tự nhiên

Kháng viêm tự nhiên từ chiết xuất lá trầu không đã được chứng minh qua các thử nghiệm in vitro. Chiết xuất này có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn và giảm các phản ứng viêm, nhờ vào các hợp chất như hydroxychavicol và eugenol. Điều này làm cho chiết xuất lá trầu không trở thành một ứng cử viên tiềm năng trong việc điều trị các vết thương nhiễm trùng và viêm nhiễm.

III. Kỹ thuật hóa học trong phát triển hydrogel

Kỹ thuật hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp và tối ưu hóa các tính chất của hydrogel nhạy nhiệt. Quá trình tổng hợp hydrogel bao gồm việc kết hợp chitosan và gelatin với các tác nhân liên kết ngang như β-glycerophosphate và natri bicarbonate. Các phương pháp phân tích như SEM, FTIR và DLS được sử dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của hydrogel và các hạt nano chitosan.

3.1. Hóa học polymer

Hóa học polymer là nền tảng cho việc phát triển hydrogel nhạy nhiệt. Chitosan và gelatin là hai polymer chính được sử dụng trong nghiên cứu này. Chitosan có tính kháng khuẩn và khả năng phân hủy sinh học, trong khi gelatin giúp tăng cường tính đàn hồi và độ bền cơ học của hydrogel. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống hydrogel có tính chất vật lý và hóa học phù hợp cho ứng dụng y học.

3.2. Công nghệ hydrogel

Công nghệ hydrogel trong nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số tổng hợp để đạt được các tính chất mong muốn. Các yếu tố như nồng độ chitosan, gelatin và β-glycerophosphate được điều chỉnh để đạt được thời gian chuyển pha và độ bền cơ học tối ưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hydrogel tổng hợp từ 2% chitosan, 0.25% gelatin và 6% β-glycerophosphate có các tính chất phù hợp nhất cho ứng dụng trong điều trị vết thương.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việc phát triển các hệ dẫn thuốc tiên tiến kết hợp với xu hướng sử dụng dược liệu tự nhiên trong điều trị viêm và lành vết thương đang thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng nghiên cứu. Theo ước tính, khoảng 15-20% dân số thế giới gặp các vấn đề về vết thương mãn tính, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống và chi phí y tế. Trong bối cảnh đó, hydrogel nhạy nhiệt được xem là hệ dẫn thuốc tiềm năng, đặc biệt trong lĩnh vực băng bó vết thương. Luận văn tập trung phát triển vật liệu hydrogel composite nhạy nhiệt từ chitosan và gelatin, mang chiết xuất lá trầu không giàu hoạt chất kháng viêm, nhằm mục tiêu tạo ra hệ dẫn truyền có kiểm soát, cải thiện hiệu quả điều trị vết thương.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi tập trung vào tổng hợp và đặc tính hóa lý của hydrogel composite, cũng như đánh giá khả năng giải phóng hoạt chất và tính phân hủy sinh học in vitro. Mục tiêu cụ thể bao gồm chiết xuất và định lượng các hợp chất sinh học trong chiết xuất ethanol lá trầu, tổng hợp hạt nano chitosan mang chiết xuất, và phát triển hydrogel composite nhạy nhiệt có khả năng giải phóng kiểm soát chiết xuất này.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp vật liệu băng bó vết thương mới, thân thiện sinh học, có khả năng giải phóng hoạt chất tự nhiên giúp giảm viêm, thúc đẩy quá trình lành vết thương, đồng thời khắc phục hạn chế về độ bền cơ học và khả năng giải phóng hoạt chất của các hệ hydrogel truyền thống. Các chỉ số quan trọng như hàm lượng flavonoid tổng (1463.09 mg RE/g chiết xuất), kích thước hạt nano (304 ± 2.1 nm), thời gian chuyển pha sol-gel nhanh (khoảng 5.29 phút), và tỷ lệ giải phóng flavonoid tích lũy đạt 60% sau 3 giờ, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Quá trình lành vết thương và vai trò của phản ứng viêm: Quá trình lành vết thương gồm các giai đoạn hemostasis, viêm, tăng sinh và tái cấu trúc mô. Viêm cấp tính giúp loại bỏ tác nhân gây hại, nhưng viêm kéo dài gây tổn thương mô và làm chậm lành vết thương. Việc kiểm soát viêm là then chốt để thúc đẩy quá trình lành.

• Tính chất và ứng dụng của hydrogel nhạy nhiệt: Hydrogel là mạng lưới polymer có khả năng hấp thụ nước lớn, có thể chuyển pha sol-gel nhờ các tương tác vật lý như liên kết hydro, tương tác ion. Hydrogel nhạy nhiệt có thể chuyển trạng thái gel ở nhiệt độ sinh lý, thuận tiện cho ứng dụng băng bó và giải phóng thuốc.

• Chitosan và gelatin trong hệ hydrogel composite: Chitosan là polysaccharide có tính sinh học cao, khả năng kháng khuẩn, phân hủy sinh học và tương tác điện tích thuận lợi để tạo hạt nano và hydrogel. Gelatin bổ sung tính cơ học và khả năng tương tác hydrogel, giúp tăng độ bền và kiểm soát giải phóng hoạt chất.

• Hệ dẫn thuốc nano và cơ chế giải phóng: Hạt nano chitosan mang chiết xuất lá trầu giúp bảo vệ hoạt chất khỏi phân hủy, tăng khả năng hấp thu tế bào và kiểm soát giải phóng. Sự kết hợp hạt nano trong hydrogel composite tạo hệ dẫn kép, tối ưu hóa hiệu quả điều trị.

Các khái niệm chính bao gồm: tổng hàm lượng flavonoid và phenolic, kích thước hạt nano, chỉ số PDI, zeta potential, hiệu suất bao bọc (encapsulation efficiency), khả năng tải (loading capacity), tỷ lệ trương nở (swelling ratio), và cơ chế giải phóng thuốc theo mô hình Korsmeyer-Peppas.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Chiết xuất ethanol từ lá trầu không thu được bằng phương pháp chiết xuất hỗ trợ siêu âm. Hạt nano chitosan mang chiết xuất được tổng hợp bằng phương pháp tạo gel ion (ionic gelation). Hydrogel composite tổng hợp từ chitosan 2% wt, gelatin 0.25% wt, β-glycerophosphate 6% wt, và sodium bicarbonate làm tác nhân đồng liên kết.

• Phương pháp phân tích: Kích thước hạt và phân bố kích thước được đo bằng kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS). Đặc tính hóa học xác định qua phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Hiệu suất bao bọc và khả năng tải được tính toán dựa trên hàm lượng flavonoid tổng. Tính chất cơ học đánh giá qua mô đun đàn hồi và khả năng chịu nén. Tỷ lệ trương nở được đo trong dung dịch PBS pH 6.5 ở 37°C và 39°C. Giải phóng flavonoid được khảo sát in vitro trong 3 giờ, dữ liệu được mô hình hóa theo Korsmeyer-Peppas.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ 15/01/2024, hoàn thành vào 20/05/2024, bao gồm các giai đoạn chiết xuất, tổng hợp hạt nano, tổng hợp hydrogel composite, đánh giá đặc tính vật liệu và thử nghiệm giải phóng hoạt chất.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu hạt nano và hydrogel được chuẩn bị với các nồng độ chiết xuất khác nhau để khảo sát ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu. Mỗi phép đo được thực hiện ít nhất ba lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chiết xuất và đặc tính của chiết xuất lá trầu: Tổng hàm lượng flavonoid đạt 1463.09 mg RE/g chiết xuất, tổng phenolic là 232.53 mg GAE/g chiết xuất, cho thấy chiết xuất giàu hoạt chất sinh học có khả năng kháng viêm và chống oxy hóa cao.

2. Đặc tính hạt nano chitosan mang chiết xuất: Kích thước trung bình 304 ± 2.1 nm, PDI 0.0145, zeta potential +26 mV, hiệu suất bao bọc 33.51%, khả năng tải khoảng 14%. Kích thước hạt nhỏ và độ phân bố đồng đều giúp tăng khả năng hấp thu tế bào và ổn định hệ.

3. Tính chất hydrogel composite: Hydrogel tổng hợp với 2% chitosan, 0.25% gelatin, 6% β-glycerophosphate và sodium bicarbonate có thời gian chuyển pha sol-gel nhanh khoảng 5.29 phút ở nhiệt độ sinh lý, mô đun đàn hồi 3 kPa, khả năng chịu nén tải trọng 0.049N. Tỷ lệ trương nở đạt 215% ở 37°C và tăng lên 324% ở 39°C sau 24 giờ, cho thấy khả năng hấp thụ nước và giữ ẩm tốt.

4. Giải phóng flavonoid từ hydrogel: Tỷ lệ giải phóng tích lũy flavonoid đạt khoảng 60% sau 3 giờ, phù hợp với mục tiêu giải phóng kiểm soát hoạt chất trong điều trị vết thương. Dữ liệu giải phóng phù hợp với mô hình Korsmeyer-Peppas, cho thấy cơ chế giải phóng chủ yếu là khuếch tán kết hợp với sự phân hủy của hydrogel.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy sự kết hợp giữa hạt nano chitosan mang chiết xuất lá trầu và hydrogel composite nhạy nhiệt tạo ra hệ dẫn thuốc hiệu quả, vừa bảo vệ hoạt chất, vừa kiểm soát giải phóng phù hợp với điều kiện sinh lý. Việc bổ sung gelatin và sodium bicarbonate cải thiện đáng kể tính cơ học và khả năng chuyển pha của hydrogel, khắc phục nhược điểm của hệ hydrogel chitosan/β-glycerophosphate truyền thống.

So với các nghiên cứu trước đây về hydrogel chitosan/gelatin mang hoạt chất tự nhiên, hệ hydrogel composite này có thời gian gel nhanh hơn (khoảng 5.29 phút so với 81 phút hoặc 110 giây trong một số nghiên cứu), tỷ lệ giải phóng flavonoid cao hơn (60% sau 3 giờ), và khả năng trương nở vượt trội, phù hợp cho ứng dụng băng bó vết thương cần giữ ẩm và giải phóng thuốc liên tục.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ kích thước hạt nano, phổ FTIR so sánh hydrogel có và không có chiết xuất, biểu đồ thời gian chuyển pha sol-gel, biểu đồ tỷ lệ trương nở theo thời gian và nhiệt độ, cùng biểu đồ giải phóng flavonoid tích lũy theo thời gian với các đường cong mô hình Korsmeyer-Peppas.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa công thức hydrogel composite: Điều chỉnh tỷ lệ chitosan, gelatin và sodium bicarbonate để cân bằng giữa tính cơ học, khả năng trương nở và tốc độ giải phóng hoạt chất, nhằm phù hợp với từng loại vết thương cụ thể. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm vật liệu sinh học.

2. Nghiên cứu mở rộng về tính tương thích sinh học và độc tính: Thực hiện các thử nghiệm in vivo trên mô hình động vật để đánh giá khả năng lành vết thương, phản ứng viêm và an toàn sinh học của hydrogel composite. Thời gian: 12 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu hợp tác với trung tâm nghiên cứu y sinh.

3. Phát triển quy trình sản xuất hydrogel composite quy mô lớn: Xây dựng quy trình tổng hợp và đóng gói hydrogel composite đảm bảo tính đồng nhất, ổn định và dễ sử dụng trong thực tế lâm sàng. Thời gian: 9 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ sinh học và đối tác công nghiệp.

4. Ứng dụng hydrogel composite trong các sản phẩm băng bó thương mại: Hợp tác với các công ty dược phẩm để phát triển sản phẩm băng bó vết thương có chứa hydrogel composite mang chiết xuất lá trầu, hướng tới thị trường trong nước và quốc tế. Thời gian: 18 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, công nghệ sinh học: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và phân tích vật liệu hydrogel composite, phát triển hệ dẫn thuốc mới từ dược liệu tự nhiên.

2. Chuyên gia y sinh và dược học: Tham khảo về ứng dụng hydrogel nhạy nhiệt trong điều trị vết thương, đặc biệt là các giải pháp băng bó có khả năng giải phóng kiểm soát hoạt chất kháng viêm.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu y tế và dược phẩm: Tìm hiểu công nghệ tổng hợp hydrogel composite và hạt nano chitosan, từ đó phát triển sản phẩm băng bó vết thương thân thiện sinh học, hiệu quả cao.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách y tế: Đánh giá tiềm năng ứng dụng các sản phẩm từ dược liệu tự nhiên kết hợp công nghệ nano và hydrogel trong chăm sóc sức khỏe, góp phần thúc đẩy phát triển y học cổ truyền hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Hydrogel composite nhạy nhiệt là gì và tại sao lại quan trọng trong điều trị vết thương?
   Hydrogel composite nhạy nhiệt là vật liệu polymer có khả năng chuyển pha từ dung dịch sang gel khi nhiệt độ thay đổi, đặc biệt ở nhiệt độ sinh lý. Điều này giúp dễ dàng áp dụng tại vị trí vết thương và giữ ẩm, đồng thời giải phóng hoạt chất kiểm soát, thúc đẩy lành vết thương hiệu quả.

2. Tại sao chọn chitosan và gelatin làm thành phần hydrogel?
   Chitosan có tính sinh học cao, kháng khuẩn và phân hủy sinh học, còn gelatin giúp tăng cường độ bền cơ học và khả năng tương tác với tế bào. Sự kết hợp này tạo ra hydrogel composite có tính ổn định, thân thiện và phù hợp cho ứng dụng y sinh.

3. Chiết xuất lá trầu có tác dụng gì trong quá trình lành vết thương?
   Chiết xuất lá trầu giàu flavonoid và phenolic có khả năng kháng viêm, chống oxy hóa và kháng khuẩn, giúp giảm viêm, ngăn ngừa nhiễm trùng và thúc đẩy tái tạo mô, rất phù hợp cho các sản phẩm băng bó vết thương.

4. Hạt nano chitosan mang chiết xuất có ưu điểm gì?
   Hạt nano giúp bảo vệ hoạt chất khỏi phân hủy, tăng khả năng hấp thu tế bào, kiểm soát giải phóng hoạt chất và cải thiện sinh khả dụng, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị.

5. Hydrogel composite này có thể ứng dụng trong thực tế như thế nào?
   Hydrogel composite có thể được sử dụng làm băng bó vết thương dạng gel tiêm hoặc miếng dán, giúp giữ ẩm, giảm viêm và giải phóng hoạt chất tự nhiên kiểm soát, phù hợp cho các vết thương cấp và mãn tính.

Kết luận

• Đã phát triển thành công hydrogel composite nhạy nhiệt từ chitosan và gelatin mang hạt nano chứa chiết xuất lá trầu với đặc tính phù hợp cho ứng dụng băng bó vết thương.
• Chiết xuất lá trầu giàu flavonoid và phenolic, có tác dụng kháng viêm, chống oxy hóa và kháng khuẩn hiệu quả.
• Hydrogel composite có thời gian chuyển pha sol-gel nhanh (khoảng 5.29 phút), khả năng trương nở cao (215-324%), và cơ học được cải thiện nhờ bổ sung gelatin và sodium bicarbonate.
• Tỷ lệ giải phóng flavonoid tích lũy đạt khoảng 60% sau 3 giờ, phù hợp với mục tiêu giải phóng kiểm soát hoạt chất.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu công thức, đánh giá sinh học in vivo và phát triển quy trình sản xuất để ứng dụng thực tiễn.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển sản phẩm hydrogel băng bó từ vật liệu này, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong điều trị các loại vết thương khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY LE THANH HAI TRIEU DEVELOPMENT OF THERMOSENSITIVE HYDROGEL COMPOSITE DELIVERING NATURAL ANTI-INFLAMMATORY EXTRACT PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU HYDROGEL COMPOSITE NHẠY NHIỆT MANG CHIẾT XUẤT TỰ NHIÊN CÓ HOẠT TÍNH KHÁNG VIÊM Major: Chemical Engineering Major code: 8520301 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, July 2024 THIS THESIS IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Supervisor: Supervisor 1: Assoc Prof. Ha Cam Anh, Ph. Supervisor 2: Assoc Prof. Le Thi Kim Phung, Ph.

Examiner 1: Bui Tan Nghia, Ph. Examiner 2: Tong Thanh Danh, Ph. This master’s thesis is defended at HCM City University of Technology, VNU- HCM City on July 8th 2024 Master’s Thesis Committee: 1. Chair of Thesis Committee: Cao Xuan Thang, Ph.

Examiner 1: Bui Tan Nghia, Ph. Examiner 2: Tong Thanh Danh, Ph. Member of Thesis Committee: Nguyen Dang Khoa, Ph. Secretary of Thesis Committee: Phan Nguyen Quynh Anh, Ph.

Approval of the Chair of Master’s Thesis Committee and Dean of Faculty of Chemical Engineering after the thesis being corrected. CHAIR OF THESIS COMMITTEE DEAN OF FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom – Happiness ─────────────────────────────── ────────────────── TASK SHEET OF MASTER’S THESIS Full name: LE THANH HAI TRIEU Student ID: 2370090 Day of birth: 24/06/2001 Place of birth: Ho Chi Minh City Major: Chemical Engineering Major ID: 8520301 1. Thesis title In English: Development of thermosensitive hydrogel composite delivering natural anti- inflammatory extract In Vietnamese: Phát triển vật liệu hydrogel composite nhạy nhiệt mang chiết xuất tự nhiên có hoạt tính kháng viêm 2. Tasks and contents: Tasks: Extraction and encapsulation of betel leaf phytochemicals into chitosan nanoparticles and synthesis of thermosensitive chitosan hydrogel composite for delivery of extract-loaded nanoparticles Contents: - Content 1: Extraction and quantification of bioactive compounds in ethanolic betel leaf extract.

- Content 2: Investigating the influence of initial extract concentration on the properties of betel extract-loaded chitosan nanoparticles. - Content 3: Fabrication and characterization of thermosensitive hydrogel composites - Content 4: Investigating the influence of synthesis conditions on the properties of the chitosan/gelatin hydrogel composites encapsulating the as-fabricated nanoparticles to deliver betel leaf extract. - Content 5: Evaluating in vitro release kinetics and biodegradability of the synthesized chitosan/gelatin hydrogel composites - 3. Start date: 15th January, 2024 4.

Completion date: 20th May, 2024 5. Supervisor: Supervisor 1: Assoc. Ha Cam Anh Supervisor 2: Assoc. Le Thi Kim Phung Ho Chi Minh City, June 4th 2024 SUPERVISOR HEAD OF DEPARTMENT DEAN OF FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING ACKNOWLEDGMENT First and foremost, I acknowledge Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), VNU-HCM for supporting this study.

I am also grateful of Refinery and Petrochemical Technology Center (RPTC), Institute for Tropical Technology and Environmental Protection (VITTEP), and the 401B2 laboratory for providing me with all the necessary facilities and equipment so that I can complete this thesis. I would like to express the deepest gratitude to Assoc. Dr Ha Cam Anh and Assoc. Le Thi Kim Phung, both of whom have given me the opportunity to complete this research, and provided me with insightful advices throughout the duration of this research.

In addition, I sincerely appreciate the support from Sustainable Process Engineering (SPE) research group, especially MSc. Do Nguyen Hoang Nga whose dedicated guidance and words of encouragement have brought me through many obstacles during my research. A special thank to my research partner BEng. Huynh Thi My Duyen who have been helping me with my projects since we were still undergraduates.

Also, I would like to thank the K20 undergraduates from the 401B2 laboratory for the cooperation and valuable discussions that have greatly contributed to my research. And finally, I am forever indebted to my family and friends who have always been eager to support me not only materially, but also mentally so that I can continue to move forward. Le Thanh Hai Trieu i ABSTRACT In this study, thermosensitive hydrogel composites have been fabricated with dual polymer components, namely chitosan and gelatin. With the purpose of exploiting beneficial properties of natural extract, a novel blend of thermosensitive chitosan/gelatin hydrogel composite and betel extract-loaded chitosan nanoparticles was prepared.

The chitosan nanoparticles carrying betel leaf extract were loaded into hydrogel composite for controlled release of therapeutic phytochemical compound, oriented for wound healing application. Ethanolic betel leaf extract was obtained using ultrasound-assisted extraction. The total flavonoid and total phenolic content in the extract were 1463.09 mg RE/g extract and 232.53 mg GAE/ g extract, respectively. The chitosan nanoparticles loaded with betel leaf extract (NCS-BLE) have average size of 304 ± 2.1 nm, PDI of 0.0145, and zeta potential of 26.

The encapsulation efficiency of BLE is 33.51% and loading capacity around 14. The fabricated hydrogel composite synthesized with 2% chitosan, 0.25% gelatin, and 6% β- glycerophosphate shows most appropriate properties for wound healing application. Additionally, the hydrogel composite exhibit rapid sol-gel phase transition from 5.29 minutes at physiological temperature. The incorporation of sodium bicarbonate as a co-crosslink agent also increases the mechanical strength of the hydrogel system, able to withstand compression with a load of 0.049N with an elastic modulus of 3.

The highest swelling ratio of the hydrogel composites in PBS pH 6.5 at 37°C and 39°C after 24 hours reached 215. The highest cumulative release percentage of flavonoid from hydrogel matrix after 3 hours is around 60. These results indicate that thermosensitive hydrogel composite from chitosan and gelatin is an appropriate dressing medium and carrying system for controlled release of active compounds. ii TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, vật liệu hydrogel composite nhạy nhiệt đã được tổng hợp từ hai thành phần polymer, cụ thể là chitosan và gelatin.

Với mục đích khai thác các đặc tính có lợi của chiết xuất tự nhiên, một hỗn hợp mới kết hợp giữa chitosan/gelatin hydrogel composite nhạy nhiệt và các hạt nano chitosan chứa chiết xuất trầu đã được tổng hợp. Các hạt nano chitosan mang chiết xuất lá trầu được nạp vào vật liệu hydrogel composite để giải phóng có kiểm soát các hợp chất hóa học tự nhiên có dược tính trị, hướng đến ứng dụng chữa lành vết thương. Chiết xuất ethanol của lá trầu không thu được bằng cách sử dụng phương pháp chiết xuất hỗ trợ siêu âm. Tổng hàm lượng flavonoid và tổng hàm lượng phenolic có trong cao chiết lần lượt là 1463,18 ± 38,09 mg RE/g cao chiết và 232,316 ± 7,53 mg GAE/g cao chiết.

Các hạt nano chitosan chứa chiết xuất lá trầu (NCS-BLE) có kích thước trung bình là 304 ± 2,1 nm, PDI là 0,1894 ± 0,0145 và thế zeta là 26,63 ± 0,2682 mV. Hiệu suất bao bọc của cao chiết lá trầu không là 33,26 ± 1,51% và khả năng tải khoảng 14,13 ± 0,64%. Vật liệu hydrogel composite được tổng hợp với 2% wt chitosan, 0,25% wt gelatin và 6% wt β-glycerophosphate thể hiện các đặc tính phù hợp cho ứng dụng chữa lành vết thương. Ngoài ra, các mẫu vật liệu hydrogel composite cũng thể hiện khả năng chuyển pha sol-gel nhanh chóng từ 5,83 ± 0,29 đến 11,17 ± 0,29 phút ở nhiệt độ sinh lý.

Việc bổ sung natri bicarbonate làm tác nhân đồng liên kết ngang cũng giúp tăng cường độ bền cơ học của hệ hydrogel, với khả năng chịu nén với tải trọng 0,049N với mô đun đàn hồi là 3,18 kPa. Tỷ lệ trương nở cao nhất của vật liệu hydrogel composite trong PBS pH 6,5 ở 37°C và 39°C sau 24 giờ đạt lần lượt là 215,58 ± 8,09 % và 324,33 ± 13,73%. Lượng giải phóng tích lũy flavonoid cao nhất từ nền hydrogel sau 3 giờ đạt 60,54 ± 1,87%. Những kết quả này chỉ ra rằng vật liệu hydrogel composite nhạy nhiệt từ chitosan và gelatin phù hợp để băng bó vết thương cũng như là một hệ dẫn truyền thích hợp để giải phóng có kiểm soát các hợp chất có hoạt tính.

iii DECLARATION OF AUTHORSHIP I hereby declare that this thesis is my own research, and that the results, data, and information in this work are truthful and have not been published under any form. Le Thanh Hai Trieu iv TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGMENT. iii DECLARATION OF AUTHORSHIP .iv LIST OF TABLES .ix LIST OF FIGURES.xi LIST OF ABBREVIATION. 1 CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW.

Wound healing process and the impacts of betel leaf extracts on wound healing. Wound and the physiological processes in wound healing. Inflammatory response phase and its role in wound healing. Termination of inflammatory responses to promote wound healing.

Over-the-counter anti-inflammatory drugs and their effects on wound healing. Natural extracts and their anti-inflammatory properties. Betel leaf extract as a therapeutic agent to alleviate inflammation in wounds. Carrier system and their relevance in delivering natural extracts.

Nanoparticles as delivery systems. Hydrogel as a macro-delivery system. Chitosan and its applications as carrier systems for delivering natural products to promote wound healing. Chitosan and its application in delivering bioactive products.

Thermosensitive hydrogel composite material derived from chitosan for wound healing application. Research status on chitosan-based hydrogel composite delivery system 30 CHAPTER 2: EXPERIMENT. Research objective and contents. Materials, equipment, and instrumentations.

Extraction and determination of bioactive content in betel leaf ethanolic extract. BLE extraction procedure. Determination of total flavonoid and total polyphenolic content in BLE. Study on activity of BLE.

Preparation of BLE-loaded chitosan nanoparticles. Preparation of chitosan hydrogel composite material delivering BLE- loaded chitosan nanoparticles. Characterization of chitosan-based nanoparticles and hydrogels. Particle size distribution analysis.

Chemical structure analysis. Evaluation of encapsulation efficiency and loading capacity of chitosan nanoparticles. Evaluation of antibacterial activity of BLE-loaded chitosan nanoparticles. Evaluation of sol-gel behavior of hydrogel composite material.

Evaluation of mechanical strength of hydrogel composite material. Evaluation of swelling ratio of hydrogel composite material. 54 CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION. Assessment of the ethanolic betel leaf extract.

Preparation of BLE-loaded chitosan nanoparticles. Effect of BLE concentration on particle size and stability of the nanoparticle system. Effect of BLE concentration on encapsulation efficiency and loading capacity of the nanoparticle system. Antibacterial activity of BLE-loaded chitosan nanoparticles.

Morphology of chemical structure analysis. Preparation of hydrogel composite material. Effect of sodium bicarbonate and gelatin on hydrogel physicochemical properties. Effect of NCS-BLE loading on hydrogel properties.

Cumulative release of BLE from hydrogel/nanoparticle matrix. Release kinetics and release mechanism of BLE from hydrogel/nanoparticle matrix. 80 CHAPTER 4: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS. 97 viii LIST OF TABLES Table 1.

Total phenolic, total flavonoid content of betel leaf extracts obtained using different solvents. Pros and cons between chemical and physical crosslinking. Summary of research combining hydrogel with nanoparticles. Formulations of NCS-BLE with increasing BLE concentration 44 Table 2.

Composition hydrogel composites. Formulations of hydrogel composites with increasing BLE concentration. Mathematical models for cumulative release of extract. Antimicrobial and anti-oxidant of betel leaf extract.

Average pore size of different hydrogel composites. Young’s modulus of different hydrogel composites. Parameters and adjusted R2 value of drug release models. Formulations of NCS-BLE with increasing BLE concentration 44 Table 2.

Composition hydrogel composites. Formulations of hydrogel composites with increasing BLE concentration. Mathematical models for cumulative release of extract. Antimicrobial and anti-oxidant of betel leaf extract.

Average pore size of different hydrogel composites. Young’s modulus of different hydrogel composites. Parameters and adjusted R2 value of drug release models .81 ix LIST OF FIGURES Figure 1. Primary phases of wound healing [1].

Outcomes of acute inflammatory response [9]. Biological events in acute inflammatory response [7]. Biological events in chronic inflammation [7] .