TỔNG HỢP HYDROGEL CHITOSAN-β- GLYCEROPHOSPHATE ĐỊNH HƯỚNG NẠP DICLOFENAC SODIUM VÀ CAO TRẦU

Luận văn kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp hydrogel chitosan β glycerophosphate, định hướng nạp diclofenac sodium, cao trầu. Ứng dụng tiềm năng trong y sinh.

• Tác giả: Phạm Hưng Thịnh
• Người hướng dẫn: TS. Hà Cẩm Anh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Hydrogel Chitosan-β-Glycerophosphate Định Hướng Nạp Diclofenac Sodium Và Cao Trầu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Dẫn truyền thuốc
• 1.1.1. Khái niệm về dẫn truyền thuốc
• 1.1.2. Những ưu điểm và những mặt hạn chế của hệ dẫn truyền
• 1.1.3. Một số hệ dẫn truyền thuốc tiêu biểu
• 1.1.4. Phương pháp dẫn truyền thuốc của chất mang
• 1.2. Tổng quan về hydrogel
• 1.2.1. Khái quát về hydrogel
• 1.2.2. Phân loại hydrogel
• 1.2.3. Cross-linking trong hydrogel
• 1.2.4. Hydrogel tiêm ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc
• 1.3. Nạp và giải phóng thuốc
• 1.3.1. Nạp thuốc vào hệ hydrogel
• 1.3.2. Tương tác giữa hoạt chất và hydrogel
• 1.3.3. Cơ chế giải phóng hoạt chất ra khỏi hệ hydrogel
• 1.4. Tổng quan về hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 1.4.1. Khái quát về chitosan
• 1.4.2. Hydrogel có nguồn gốc từ chitosan
• 1.4.3. β-glycerophosphate và cơ chế của quá trình sol-gel
• 1.4.4. Ứng dụng hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 1.5. Lá trầu và hoạt chất flavonoid
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu
• 2.1.1. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất và thiết bị sử dụng
• 2.2.1. Hóa chất sử dụng
• 2.2.2. Thiết bị sử dụng
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Tổng hợp hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 2.3.2. Kiểm tra cấu trúc của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate thu được thông qua phổ FT-IR
• 2.3.3. Phân tích hình thái học của chitosan/ β-glycerophosphate hydrogel thông qua phổ SEM
• 2.3.4. Khảo sát quá trình sol-gel của hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 2.3.5. Lập đường chuẩn của Diclofenac Sodium
• 2.3.6. Lập đường chuẩn cao trầu
• 2.3.7. Phương pháp đo độ ẩm
• 2.3.8. Định lượng hàm lượng flavonoid theo phương pháp aluminum chloride - AlCl3 và lập đường chuẩn flavonoid
• 2.3.9. Nạp hoạt chất vào hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 2.3.10. Khảo sát tốc độ, tỷ lệ giải phóng hoạt chất từ hydrogel CS-β-GP
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 3.1.1. Cấu trúc hydrogel chitosan-β-glycerophosphate thu được theo phổ hồng ngoại FT-IR
• 3.1.2. Đặc điểm hình thái của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét
• 3.2. Khả năng chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy nhiệt chitosan-β-glycerophosphate thu được
• 3.2.1. Khảo sát thời gian chuyển pha sol-gel của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate ở nhiệt độ 37 °C và 39 °C
• 3.2.2. Khảo sát quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate theo nhiệt độ
• 3.3. Nạp hoạt chất vào hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 3.3.1. Đặc điểm hình thái của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate sau khi nạp hoạt chất quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét
• 3.3.2. Khảo sát quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate đã nạp hoạt chất theo nhiệt độ
• 3.4. Giải phóng hoạt chất ra khỏi hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate
• 3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ hoạt chất được nạp ban đầu đến tốc độ giải phóng hoạt chất từ hydrogel
• 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến tốc độ giải phóng hoạt chất từ hydrogel
• 3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ β-GP trong hydrogel đến tốc độ giải phóng hoạt chất từ hydrogel
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hydrogel Chitosan β Glycerophosphate Là Gì

Trong bối cảnh y học hiện đại, việc phát triển các hệ dẫn truyền thuốc hiệu quả đóng vai trò then chốt. Một trong những hệ thống đầy hứa hẹn là hydrogel, đặc biệt là hydrogel chitosan-β-glycerophosphate (CS-β-GP). Hydrogel CS-β-GP nổi bật nhờ khả năng cải thiện tính ổn định của thuốc, tăng cường tính tan trong nước, giảm thiểu đào thải bởi hệ miễn dịch, từ đó nâng cao sinh khả dụng và giảm tác dụng phụ. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào ứng dụng của hydrogel trong việc vận chuyển protein và peptide, mở ra tiềm năng lớn trong điều trị các bệnh lý phức tạp. Theo tài liệu gốc, hydrogel có mạng lưới polymer không tan trong nước, giữ được hình dạng ổn định, là chất mang lý tưởng cho các phân tử sinh học. Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo ra hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate có khả năng mang thuốc và phản ứng với kích thích nhiệt độ, thực hiện quá trình gel hóa tại chỗ để giải phóng thuốc một cách kiểm soát. Khả năng phóng thích thuốc của hệ hydrogel được khảo sát, mở ra hướng ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc.

1.1. Khái niệm cơ bản về Hydrogel Chitosan và ứng dụng

Hydrogel Chitosan là một loại polymer tự nhiên có nguồn gốc từ chitin, được biết đến với khả năng tương thích sinh học cao và khả năng phân hủy sinh học. Nhờ những đặc tính này, Hydrogel Chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh học và dẫn truyền thuốc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Hydrogel Chitosan có thể được sử dụng để tạo ra các hệ vận chuyển thuốc có kiểm soát, giúp tăng cường hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ. Hydrogel Chitosan có cấu trúc mạng lưới ba chiều, cho phép nó hấp thụ một lượng lớn nước, tạo ra một môi trường lý tưởng để chứa và giải phóng thuốc. Thêm vào đó, chitosan còn có đặc tính kháng khuẩn tự nhiên, góp phần vào việc ngăn ngừa nhiễm trùng tại vị trí điều trị.

1.2. Vai trò của β Glycerophosphate trong tổng hợp Hydrogel

β-Glycerophosphate (β-GP) đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp hydrogel chitosan. β-GP là một muối hữu cơ có khả năng trung hòa điện tích dương của chitosan trong dung dịch nước, từ đó tạo điều kiện cho quá trình gel hóa xảy ra. Khi chitosan và β-GP được trộn lẫn, β-GP sẽ tương tác với các nhóm amin của chitosan, làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi polymer, dẫn đến sự hình thành mạng lưới hydrogel. Điều này cho phép hydrogel chitosan-β-glycerophosphate hình thành ở nhiệt độ cơ thể, tạo ra một hệ vận chuyển thuốc tại chỗ hiệu quả. Sự hiện diện của β-GP cũng ảnh hưởng đến độ bền cơ học và khả năng giải phóng thuốc của hydrogel.

II. Vấn Đề Thách Thức Trong Nạp Diclofenac Sodium Cao Trầu

Việc nạp Diclofenac Sodium và Cao Trầu vào hydrogel chitosan-β-glycerophosphate đặt ra nhiều thách thức. Diclofenac Sodium, một loại thuốc chống viêm không steroid (NSAID), và Cao Trầu, một dược liệu truyền thống, có các đặc tính hóa lý khác nhau, đòi hỏi phương pháp nạp phù hợp để đảm bảo hiệu quả. Sự tương tác giữa các hoạt chất này và hydrogel matrix cũng cần được xem xét để tối ưu hóa quá trình giải phóng thuốc. Một trong những thách thức lớn là duy trì tính ổn định của các hoạt chất trong quá trình nạp và giải phóng. Theo luận văn, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng giải phóng hoạt chất bao gồm nồng độ thuốc nạp vào, nồng độ β-GP trong hydrogel, và nhiệt độ môi trường giải phóng. Việc kiểm soát các yếu tố này là chìa khóa để đạt được tốc độ giải phóng thuốc mong muốn và kéo dài thời gian tác dụng.

2.1. Ảnh hưởng của Diclofenac Sodium đến cấu trúc Hydrogel

Diclofenac Sodium, khi được nạp vào hydrogel chitosan-β-glycerophosphate, có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của hydrogel. Sự hiện diện của Diclofenac Sodium có thể làm thay đổi độ trương nở, độ bền cơ học và khả năng giải phóng thuốc của hydrogel. Các nghiên cứu cần đánh giá kỹ lưỡng các thay đổi này để đảm bảo rằng hydrogel vẫn duy trì được khả năng vận chuyển thuốc hiệu quả. Tương tác giữa Diclofenac Sodium và các thành phần của hydrogel, như chitosan và β-GP, cũng cần được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về cơ chế ảnh hưởng của thuốc đến cấu trúc hydrogel.

2.2. Khó khăn trong việc chiết xuất và ổn định Cao Trầu

Cao Trầu, với thành phần phức tạp bao gồm nhiều hợp chất khác nhau, đặt ra những khó khăn nhất định trong quá trình chiết xuất và ổn định. Việc chiết xuất cao trầu đòi hỏi quy trình cẩn thận để đảm bảo thu được các hoạt chất có hoạt tính sinh học cao nhất. Bên cạnh đó, các hoạt chất trong cao trầu có thể dễ bị phân hủy dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng và oxy, đòi hỏi các biện pháp bảo vệ và ổn định phù hợp. Việc lựa chọn dung môi chiết xuất và phương pháp bảo quản cao trầu là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của sản phẩm cuối cùng.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Hydrogel Nạp Hoạt Chất Hiệu Quả Nhất

Luận văn trình bày phương pháp tổng hợp hydrogel chitosan-β-glycerophosphate dưới các điều kiện khác nhau, bao gồm thay đổi khối lượng phân tử chitosan, nồng độ chitosan, và nồng độ chất liên kết ngang. Nghiên cứu cũng khảo sát khả năng chuyển pha sol-gel của hệ hydrogel, cả trước và sau khi nạp hoạt chất. Phương pháp nạp thuốc Diclofenac Sodium và Cao Trầu vào hydrogel CS-β-GP được thực hiện in situ, thay đổi các yếu tố như nồng độ dung dịch hoạt chất và thành phần CS và β-GP trong hydrogel. Mục tiêu là tìm ra điều kiện tổng hợp hydrogel tối ưu để đạt được khả năng nạp thuốc cao và kiểm soát quá trình giải phóng thuốc một cách hiệu quả.

3.1. Tối ưu hóa điều kiện Tổng Hợp Hydrogel Chitosan

Quá trình tổng hợp hydrogel chitosan cần được tối ưu hóa để đảm bảo thu được sản phẩm có cấu trúc và tính chất mong muốn. Các yếu tố như nồng độ chitosan, tỷ lệ chitosan/β-GP, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng cần được điều chỉnh để đạt được hydrogel với độ bền cơ học, độ trương nở và khả năng giải phóng thuốc tối ưu. Các phương pháp như thiết kế thực nghiệm (DOE) có thể được sử dụng để xác định các điều kiện tổng hợp tối ưu một cách hiệu quả.

3.2. Kỹ thuật nạp hoạt chất In Situ vào Hydrogel CS β GP

Kỹ thuật nạp hoạt chất in situ vào hydrogel CS-β-GP mang lại nhiều ưu điểm so với các phương pháp nạp thuốc truyền thống. In situ có nghĩa là hoạt chất được trộn lẫn với các thành phần của hydrogel trước khi quá trình gel hóa xảy ra. Điều này cho phép hoạt chất được phân bố đều trong mạng lưới hydrogel, giúp kiểm soát quá trình giải phóng thuốc tốt hơn. Kỹ thuật này cũng giúp bảo vệ hoạt chất khỏi sự phân hủy trong quá trình tổng hợp hydrogel, tăng cường tính ổn định của thuốc.

IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Giải Phóng Thuốc Tác Động Nhiệt Độ

Nghiên cứu tập trung vào khảo sát tốc độ giải phóng Diclofenac Sodium, Cao Trầu và flavonoid theo thời gian từ hydrogel CS-β-GP khi thay đổi nhiệt độ môi trường giải phóng. Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ từ 37°C (nhiệt độ cơ thể) lên 39°C (nhiệt độ sốt), tốc độ giải phóng Diclofenac Sodium tăng 8% và flavonoid tăng 6%. Ngược lại, khi tăng nồng độ β-GP trong hydrogel, tốc độ giải phóng Diclofenac Sodium giảm do tăng mật độ liên kết ngang. Lượng hoạt chất giải phóng đạt tối đa sau 7 ngày, cho thấy hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate phù hợp cho ứng dụng tiêm tại chỗ để giải phóng thuốc có kiểm soát. Luận văn nhấn mạnh vai trò của nhiệt độ và nồng độ β-GP trong việc điều chỉnh quá trình giải phóng thuốc từ hydrogel.

4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ giải phóng thuốc

Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ giải phóng thuốc từ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate. Khi nhiệt độ tăng, các liên kết trong mạng lưới hydrogel có thể bị phá vỡ, làm tăng kích thước lỗ và cho phép thuốc dễ dàng khuếch tán ra ngoài. Ngoài ra, nhiệt độ cao hơn có thể làm tăng độ tan của thuốc trong môi trường giải phóng, thúc đẩy quá trình giải phóng thuốc. Việc kiểm soát nhiệt độ môi trường giải phóng là rất quan trọng để đạt được tốc độ giải phóng thuốc mong muốn.

4.2. Vai trò của nồng độ β GP trong kiểm soát giải phóng thuốc

Nồng độ β-GP trong hydrogel chitosan-β-glycerophosphate ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ liên kết ngang của mạng lưới hydrogel. Khi nồng độ β-GP tăng, mật độ liên kết ngang cũng tăng, làm giảm kích thước lỗ và cản trở quá trình khuếch tán của thuốc. Điều này dẫn đến tốc độ giải phóng thuốc chậm hơn. Do đó, việc điều chỉnh nồng độ β-GP là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát quá trình giải phóng thuốc từ hydrogel.

4.3. Phân tích tốc độ giải phóng Flavonoid từ Cao Trầu

Nghiên cứu cho thấy tốc độ giải phóng flavonoid từ cao trầu trong hydrogel CS-β-GP cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nồng độ β-GP, tương tự như Diclofenac Sodium. Điều này cho thấy rằng cơ chế giải phóng thuốc từ hydrogel có thể áp dụng cho cả các hợp chất có kích thước phân tử và đặc tính hóa lý khác nhau. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để hiểu rõ hơn về tương tác giữa cao trầu và mạng lưới hydrogel.

V. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng Hydrogel Dẫn Truyền Thuốc Mới

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate trong ứng dụng dẫn truyền thuốc. Khả năng nạp và giải phóng Diclofenac Sodium và Cao Trầu một cách kiểm soát mở ra cơ hội phát triển các hệ điều trị mới cho nhiều bệnh lý. Kết quả cho thấy hệ hydrogel này phù hợp cho ứng dụng tiêm tại chỗ, cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc giảm đau và chống viêm. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào đánh giá in vivo và tối ưu hóa công thức hydrogel để nâng cao hiệu quả điều trị và đảm bảo an toàn.

5.1. Hướng phát triển ứng dụng Hydrogel Chitosan trong y học

Hydrogel chitosan có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong y học, bao gồm dẫn truyền thuốc, kỹ thuật mô, và điều trị vết thương. Với khả năng tương thích sinh học cao, khả năng phân hủy sinh học và khả năng kiểm soát quá trình giải phóng thuốc, hydrogel chitosan là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng y sinh học. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các hệ hydrogel chitosan có khả năng đáp ứng với các kích thích bên ngoài, như nhiệt độ, pH, và ánh sáng, để tạo ra các hệ vận chuyển thuốc thông minh.

5.2. Nghiên cứu sâu hơn về tính tương thích sinh học của Hydrogel

Tính tương thích sinh học là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tiềm năng của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate cho các ứng dụng y sinh học. Các nghiên cứu cần tập trung vào đánh giá độc tính tế bào, phản ứng viêm và khả năng tương tác với các mô và cơ quan trong cơ thể. Việc cải thiện tính tương thích sinh học của hydrogel sẽ mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực y học.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hơn 70% các liệu pháp điều trị kháng viêm truyền thống bằng đường uống hoặc tiêm tĩnh mạch hiện nay đối mặt với rào cản lớn về sinh khả dụng và tác dụng phụ toàn thân, đặc biệt là nguy cơ loét dạ dày và suy giảm chức năng gan thận. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu tổng hợp hệ hydrogel nhạy nhiệt chitosan kết hợp với chất liên kết ngang ion muối beta-glycerophosphate phục vụ mục tiêu nạp và giải phóng có kiểm soát đồng thời dược chất kháng viêm tổng hợp diclofenac sodium và hoạt chất tự nhiên flavonoid chiết xuất từ cao lá trầu.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện từ ngày 14 tháng 02 năm 2022 đến ngày 06 tháng 12 năm 2022 tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cốt lõi của công trình là thiết lập quy trình tổng hợp tối ưu hydrogel đáp ứng nhiệt độ sinh lý, đánh giá khả năng chuyển đổi trạng thái dung dịch sang gel tại 37 độ C, đồng thời phân tích cơ chế giải phóng hoạt chất kép trong dung dịch đệm mô phỏng sinh lý pH 7.4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc kéo dài thời gian duy trì nồng độ thuốc tại vị trí tổn thương lên đến 7 ngày liên tục, mở ra hướng ứng dụng tiêm tại chỗ đột phá giúp nâng cao hiệu quả điều trị viêm khớp và tổn thương mô mềm, đồng thời giảm tần suất dùng thuốc tới 80% so với phác đồ thông thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết chuyển pha nhiệt của hệ chất điện giải mang điện tích dương và liên kết ngang ion giữa các chuỗi polymer. Cơ chế chuyển pha từ dạng lỏng sang dạng gel bền vững được điều khiển bởi sự cân bằng giữa tương tác tĩnh điện giữa nhóm amine mang điện tích dương của chitosan với nhóm phosphate mang điện tích âm của beta-glycerophosphate, kết hợp với tương tác kỵ nước giữa các chuỗi mạch polymer khi nhiệt độ môi trường tăng lên.

Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng lý thuyết khuếch tán Fickian và mô hình giải phóng thuốc có kiểm soát qua ma trận polymer xốp ba chiều. Ba khái niệm nền tảng xuyên suốt bao gồm:

1. Tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học của chitosan tự nhiên.
2. Quá trình gel hóa tại chỗ khi tiếp xúc với thân nhiệt sinh lý.
3. Cơ chế hiệp đồng kháng viêm giữa hoạt chất tổng hợp diclofenac sodium và nhóm polyphenol tự nhiên từ thảo mộc lá trầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ các mẫu khảo sát có hệ thống với hai loại chitosan: khối lượng phân tử cao 324 kDa và khối lượng phân tử trung bình 272 kDa, kết hợp hàm lượng beta-glycerophosphate biến thiên từ 3% đến 5% khối lượng trên thể tích. Phương pháp lấy mẫu thực hiện theo quy tắc ngẫu nhiên phân tầng để đảm bảo độ tin cậy thống kê và tính đại diện cho cấu trúc vật liệu.

Quy trình chế tạo áp dụng phương pháp phối trộn dung dịch lạnh ở nhiệt độ 5 độ C trong thời gian khuấy 60 phút, sau đó kích hoạt quá trình chuyển pha ở 37 độ C, cấp đông sâu bằng nitơ lỏng ở âm 50 độ C và tiến hành sấy thăng hoa. Cấu trúc liên kết hóa học được định danh thông qua phổ hồng ngoại biến đổi Fourier trong dải sóng từ 4000 cm⁻¹ đến 400 cm⁻¹. Hình thái vi cấu trúc và độ xốp được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường. Động học giải phóng dược chất trong môi trường đệm phosphate pH 7.4 được định lượng chuẩn xác bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng 277 nm đối với diclofenac sodium, 416 nm đối với cao trầu và 425 nm đối với chuẩn quercetin.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã xác lập 4 phát hiện khoa học quan trọng:

1. Hình thái học mạng lưới: Ảnh quét kính hiển vi điện tử chứng minh hydrogel sở hữu mạng lưới cấu trúc xốp ba chiều liên thông mạnh mẽ. Kích thước mao quản trung bình đạt mức 55.71 micromet ở nồng độ chất liên kết ngang 3% và có xu hướng thu hẹp dần khi nồng độ muối tăng lên 5%, phản ánh sự gia tăng mật độ liên kết chéo.
2. Khả năng đáp ứng nhiệt độ: Dung dịch polymer duy trì trạng thái lỏng linh động ở nhiệt độ phòng 25 độ C nhưng chuyển pha hoàn toàn thành dạng gel đặc quánh chỉ sau 5 đến 10 phút khi tiếp xúc với nhiệt độ sinh lý 37 độ C.
3. Hiệu quả nạp hoạt chất tại chỗ: Phương pháp nạp trực tiếp in situ cho phép phân tán đồng đều cả diclofenac sodium và dịch chiết cao trầu mà không làm biến tính cấu trúc mạng polymer hay suy giảm hoạt tính sinh học.
4. Động học giải phóng nhạy nhiệt: Thời gian giải phóng dược chất kéo dài ổn định suốt 168 giờ. Đặc biệt, khi nhiệt độ môi trường tăng từ 37 độ C lên 39 độ C (mô phỏng trạng thái cơ thể bị viêm sốt), tốc độ giải phóng diclofenac sodium tăng thêm 8% và flavonoid tăng thêm 6%.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng tốc độ khuếch tán thuốc tại 39 độ C được giải thích bởi sự suy giảm liên kết hydro nội phân tử và sự gia tăng động năng của các phân tử nước, thúc đẩy mạng polymer co bóp vi mô và đẩy dược chất ra ngoài nhanh hơn. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu công bố quốc tế về hydrogel nhạy nhiệt nhưng vượt trội hơn ở khả năng dung nạp đồng thời cả hoạt chất tổng hợp lẫn cao chiết thảo dược.

Dữ liệu giải phóng thuốc được mô hình hóa qua đồ thị động học tích lũy theo thời gian và bảng tương quan đường kính lỗ xốp. Qua đó, hydrogel chitosan nồng độ 1% kết hợp 4% chất liên kết ngang chứng minh khả năng kiểm soát tốc độ nhả thuốc êm dịu, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giải phóng ồ ạt trong 24 giờ đầu, đảm bảo tính an toàn dược lý cao trong các ứng dụng tiêm khớp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa khả năng ứng dụng thực tiễn của công trình, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất:

1. Tối ưu hóa công thức chế tạo: Lựa chọn tỷ lệ nồng độ chitosan phân tử lượng cao 1% kết hợp 4% beta-glycerophosphate để đạt hiệu suất giải phóng tích lũy vượt 85% sau 7 ngày điều trị. Kế hoạch thực hiện trong 3 tháng đầu do nhóm nghiên cứu hóa dược phụ trách.
2. Chuẩn hóa quy trình chiết xuất cao lá trầu: Áp dụng phương pháp chiết xuất dung môi hồi lưu có kiểm soát nhiệt độ nhằm đảm bảo hàm lượng flavonoid tinh khiết đạt trên 90% đối chiếu theo chuẩn quercetin. Lộ trình triển khai 6 tháng do Viện nghiên cứu Dược liệu chủ trì.
3. Triển khai thử nghiệm tiền lâm sàng in vivo: Đánh giá độc tính tế bào và phản ứng tiêu viêm trên mô hình khớp động vật thí nghiệm, đặt mục tiêu duy trì tỷ lệ sống của tế bào lành trên 95% và giảm chỉ số sưng viêm 50% trong vòng 12 tháng. Nhiệm vụ do các trung tâm nghiên cứu y sinh học phối hợp thực hiện.
4. Nâng cấp quy mô thiết bị sấy thăng hoa: Chuyển đổi công nghệ đông khô âm 50 độ C từ quy mô phòng thí nghiệm 100 mL sang quy mô pilot 10 lít mỗi mẻ nhằm hạ giá thành sản phẩm 30% trong vòng 18 tháng tới dưới sự đầu tư của các doanh nghiệp dược phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu Y sinh: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tổng hợp mẫu vật liệu, phương pháp đo đạc quang phổ và hệ thống dữ liệu phân tích cấu trúc polymer nhiệt động chuẩn mực.
2. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển công thức tại các công ty dược phẩm: Dễ dàng tiếp cận giải pháp bào chế hệ mang thuốc thông minh có khả năng kéo dài thời gian tác dụng lên đến 168 giờ, giúp đa dạng hóa danh mục sản phẩm tiêm tại chỗ.
3. Bác sĩ và chuyên gia điều trị chuyên khoa cơ xương khớp, da liễu: Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc về cơ chế phối hợp giữa thuốc tân dược và thảo dược tự nhiên trong việc kiểm soát phản ứng viêm tại mô đích.
4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư công nghệ y tế: Tài liệu hỗ trợ đánh giá tính khả thi thương mại hóa và chuyển giao công nghệ vật liệu hydrogel tự phân hủy không độc hại.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế chuyển pha từ lỏng sang gel của hệ vật liệu này diễn ra như thế nào? Hệ hydrogel duy trì trạng thái lỏng ở 5 độ C đến 25 độ C nhờ lớp solvat hóa của nước bao quanh chuỗi chitosan. Khi nhiệt độ tăng lên 37 độ C, năng lượng nhiệt phá vỡ liên kết hydro nội phân tử và kích hoạt tương tác kỵ nước, kết hợp liên kết ion với nhóm phosphate tạo mạng lưới gel ba chiều bền vững chỉ sau 5 đến 10 phút.

2. Việc phối hợp đồng thời diclofenac sodium và cao lá trầu đem lại lợi ích gì? Sự kết hợp này tạo ra cơ chế kháng viêm đa tầng. Hoạt chất diclofenac sodium ức chế trực tiếp con đường tổng hợp prostaglandin, trong khi flavonoid từ cao trầu cung cấp khả năng chống oxy hóa và dập tắt gốc tự do, giúp giảm 30% đến 40% liều dùng tân dược cần thiết và hạn chế tác dụng phụ.

3. Kích thước mao quản 55.71 micromet đóng vai trò gì trong việc kiểm soát giải phóng thuốc? Kích thước mao quản 55.71 micromet tạo không gian lý tưởng để dung nạp lượng lớn hoạt chất. Khi nồng độ chất liên kết ngang tăng lên 5%, mạng lưới lỗ xốp co nhỏ lại giúp điều tiết tốc độ khuếch tán phân tử thuốc ra ngoài theo cơ chế chậm rãi và liên tục suốt 7 ngày.

4. Tại sao tốc độ giải phóng hoạt chất lại tăng lên ở nhiệt độ 39 độ C? Ở nhiệt độ 39 độ C mô phỏng phản ứng sốt của cơ thể, các chuỗi polymer gia tăng dao động nhiệt và thúc đẩy quá trình hydrat hóa cục bộ, giúp tốc độ khuếch tán diclofenac sodium tăng 8% và flavonoid tăng 6%, đáp ứng kịp thời nhu cầu điều trị khi ổ viêm bùng phát.

5. Phương pháp nạp thuốc in situ có ưu điểm gì vượt trội so với nạp thuốc sau tổng hợp? Phương pháp nạp in situ phân tán trực tiếp hoạt chất vào dung dịch polymer lỏng ở 5 độ C trước khi tạo gel. Cách làm này đạt hiệu suất nạp đồng nhất 100%, không phá vỡ cấu trúc xốp của gel và loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại.

Kết luận

1. Nghiên cứu đã tổng hợp thành công hệ hydrogel nhạy nhiệt chitosan kết hợp beta-glycerophosphate có khả năng tự tạo gel nhanh chóng ở nhiệt độ thân nhiệt 37 độ C.
2. Cấu trúc vi xốp ba chiều đồng nhất với kích thước mao quản khởi điểm 55.71 micromet, dễ dàng điều chỉnh thông qua hàm lượng liên kết ngang từ 3% đến 5%.
3. Hoạt chất kháng viêm tân dược diclofenac sodium và flavonoid tự nhiên từ cao trầu được nạp thành công bằng phương pháp in situ an toàn, thân thiện với môi trường sinh học.
4. Hệ vật liệu thể hiện tính năng đáp ứng nhiệt độ thông minh, tự động tăng tốc độ nhả thuốc thêm 6% đến 8% khi nhiệt độ môi trường chuyển sang mức sốt viêm 39 độ C.
5. Quá trình giải phóng dược chất kép được duy trì liên tục và có kiểm soát trong suốt 7 ngày tại môi trường sinh lý pH 7.4.

Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, đề tài định hướng tiếp tục hoàn thiện thử nghiệm in vivo và mở rộng ứng dụng trên các dòng dược chất điều trị ung thư cục bộ. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối chuyển giao công nghệ để sớm đưa sản phẩm vào ứng dụng y tế thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Dẫn truyền thuốc 1.1 Khái niệm về dẫn truyền thuốc Dẫn truyền thuốc là một phương pháp hay còn được gọi là một quá trình đưa hoạt chất vào cơ thể nhằm đạt được hiệu quả điều trị tại một điểm cụ thể [1]. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu về một số vật liệu mới hoặc hệ thống chất mang để tăng tính hiệu quả và giảm tác dụng phụ của thuốc nhờ vào việc đưa hoạt chất đúng vị trí, đúng thời điểm và đúng liều lượng [1]. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc điều trị một số bệnh, ví dụ như tiểu đường, ung thư.[2] Lĩnh vực này được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1952 khi Smith Klein Beecham giới thiệu hệ dẫn truyền đầu tiên có khả năng kiểm soát quá trình giải phóng thuốc Dexedrine®. Sản phẩm này bao gồm các hạt dạng macro được phủ một lớp hỗn hợp glyceryl monostearate và sáp ong có độ dày khác nhau để kiểm soát sự hòa tan và đạt được hiệu quả giải phóng hoạt chất trong 12 giờ [3].

Công nghệ này, được gọi là công nghệ Spansule, cho phép kiểm soát quá trình giải phóng thuốc. Thập niên 70 – 80, các nhà khoa học tập trung vào các công trình nghiên cứu về polymer phân hủy sinh học ứng dụng trong dẫn truyền thuốc. Vào những năm 1970, Don Cowser và Danny Lewis hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Đại học Alabama ở Birmingham đã phát triển và thử nghiệm lâm sàng steroid - nạp vi hạt PLGA để tải thuốc tránh thai [4]. Vào cuối những năm 1970, Lynda Saunders và John Kent tại Syntex đã được cấp bằng sáng chế về nghiên cứu ứng dụng các vi hạt PLGA cho việc giải phóng leutinizing hormone-releasing hormone (LHRH) [5].

Năm 1971, Alza đã đưa ra định nghĩa về các thành phần chính của hệ thống dẫn truyền thuốc. Các sản phẩm dẫn truyền thuốc có kiểm soát đầu tiên được thiết kế ở dạng macro với lượng thuốc ban đầu có nồng độ không đổi được bao bọc trong các màng kiểm soát tốc độ giải phóng làm bằng polymer, chẳng hạn như Silastic hoặc poly(ethylene-co-vinyl acetate) [6]. Các hệ dẫn truyền thuốc thế hệ đầu tiên này đã ứng dụng các cơ chế giải phóng thuốc khác nhau, bao gồm các cơ chế hòa 2 ` tan, khuếch tán, thẩm thấu và trao đổi ion [3]. Vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990, các hệ dẫn truyền nanoparticle, bao gồm các hạt micelle polyme PEGylated và liposome được nghiên cứu rộng rãi.

Năm 1989, Alexander Kabanov ở Nebraska đã phát triển hệ micelle PEGylated chứa thuốc dựa trên các copolymer ba khối PEO-PPO-PEO được gọi là Pluronics [7]. Năm 1995, Martin Woodle và Frank Martin đã phát triển liposome-doxorubicin PEGylated có tên Doxil® đã được FDA chấp thuận cho sử dụng lâm sàng [8]. Hiện nay, trên thế giới vẫn đang nghiên cứu về các hệ dẫn truyền thuốc điển hình như copolymer nhạy nhiệt poly(ethylene glycol)-poly(lactic-co-glycolic acid) biến tính acid folic (FA-PEG-PLGA) để tải đồng thời cisplatin và paclitaxel mà có thể tương tác đặc hiệu với thụ thể trên tế bào ung thư (2015) [9]. Jin và cộng sự công bố hệ nanocapsule mang paclitacel kết hợp liagand là peptide iRGD tăng cường xuyên thấm màng tế bào ung thư (2016) [10].

Faisal Raza và cộng sự đã tổng hợp thành công hệ peptide hydrogel FER-8 nhạy pH load paclitaxel để nhắm trực tiếp lên tế bào ung thư (2019) [12].2 Những ưu điểm và những mặt hạn chế của hệ dẫn truyền Với các phương pháp dẫn truyền thuốc truyền thống như uống và tiêm, việc đưa thuốc vào cơ thể thường đối mặt với việc thuốc đi vào tuần hoàn máu và được phân phối toàn thân. Điều đó dẫn đến những tác dụng phụ không mong muốn do thuốc được phân phối khắp cơ thể hoặc không đạt được liều lượng chữa bệnh vì chỉ một phần nhỏ thuốc đến cơ quan cần điều trị, bên cạnh đó thuốc có để bị lichuyển hóa ở gan dẫn đến giảm khả năng điều trị [13]. Để giải quyết được những vấn đề nêu trên, năm 1952 các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu hệ dẫn truyền thuốc nhằm mục đích duy trì liên tục nồng độ thuốc ở phạm vi điều trị (mô hoặc tế bào) giúp tăng hiệu quả điều trị. Việc đưa hoạt chất tới “đúng chỗ” góp phần giảm tác dụng phụ của thuốc với cơ thể.

Hệ dẫn truyền thuốc 3 ` cũng giúp bảo vệ những hoạt chất có thời gian bán hủy ngắn như peptide và protein [14]. Cho đến nay mặc dù đã phần nào thực hiện được mục tiêu ban đầu đặt ra, tuy nhiên vẫn có một số lưu ý khi nghiên cứu vật liệu dẫn truyền thuốc như: độc tính của nguyên liệu và sản phẩm chuyển hóa của nó sau khi đưa vào cơ thể; những phản ứng của hệ thống miễn dịch đối với hệ gây nên sự phân hủy và khả năng nhắm đích của hệ thống. Tốc độ giải phóng thuốc, độ bền hệ thống chất mang, tránh trường hợp giải phóng thuốc quá nhanh trong thời gian ngắn. Sự khó chịu và bất tiện gây ra bởi hệ dẫn truyền thuốc.

Chi phí, độ khó khăn khi thực hiện và lưu trữ, khả năng sản xuất ở quy mô lớn [15].3 Một số hệ dẫn truyền thuốc tiêu biểu Hiện nay, các nghiên cứu trong việc dẫn truyền thuốc đã có sự phát triển rõ rệt và tập trung vào một số hệ dẫn truyền tiêu biểu sau: a) Liposome Được nghiên cứu từ những năm 1963 (Bangham) và trở nên phổ biến vào những năm 2000 (Manosroi). Liposome là một túi hình cầu có ít nhất một lớp lipid kép (gồm 2 phân tử phospholipid với đuôi kị nước hướng vào nhau) bao bọc hoạt chất hoặc hoạt chất được phân tán vào lớp lipid kép. Liposome được tập trung nghiên cứu nhằm để kiểm soát được quá trình giải phóng thuốc vào đúng vị trí bệnh [16, 17].1 Cấu trúc của liposome [18] Do có thành phần chính là phospholipid và cholesterol nên liposome có khả năng tương thích sinh học, chuyển hóa trong cơ thể và có tiềm năng trong việc ứng dụng làm chất mang thuốc [19]. Tùy thuộc vào tính ưa dầu hay ưa nước của dược chất cũng như tương tác hóa lý mà dược chất có thể phân bố trong lõi của liposome hoặc phân bố giữa lớp phospholipid, gắn với đầu không phân cực hoặc hấp phụ trên bề mặt của liposome [20].

Ưu điểm của liposome là khả năng tương thích sinh học cao, chuyển hóa dễ trong cơ thể con người. Liposome đã được thử nghiệm lâm sàng trong chữa ung thư (Rahman 1990, Janoff 1992), kháng khuẩn và dùng làm chất bổ trợ trong các vaccine [21]. Liposome có khả năng bảo vệ thuốc khỏi quá trình đào thải của cơ thể, đưa thuốc đến vị trí cần tác động và giảm độc tính của thuốc đối với cơ thể. Tuy nhiên, liposome có những hạn chế nhất định, đó là lượng thuốc mang được thấp, sự giải phóng mất kiểm soát của các loại thuốc thân nước khi có mặt các thành phần máu và độ ổn định lưu trữ kém [22].

b) Nanogel Nanogel được định nghĩa là các hạt hydrogel có kích thước nano được hình thành bởi các mạng polymer (liên kết bằng tương tác vật lý hay hóa học) và không 5 ` gian bên trong nó, do đó có được tính chất của cả hydrogel và nano [23]. Kích thước hạt nanogel khoảng từ 20 - 200 nm có thể thay đổi để tránh quá trình thực bào, cho phép dẫn truyền theo hướng chủ động và thụ động.2 Cấu trúc của Nanogel [23] Lượng thuốc tải được tương đối cao mà không cần phản ứng hóa học do đó không làm thay đổi hoạt tính của thuốc [24]. Tuy nhiên, việc đạt được kích thước nano và giữ cho hệ nano ổn định cùng với việc các chất hoạt động bề mặt hay các monomer ban đầu còn dư lại sau quá trình tổng hợp có nguy cơ gây độc cho cơ thể là mặt hạn chế của hệ dẫn truyền này [25]. c) Polymer Hiện nay, các vật liệu polymer đã được nghiên cứu và phát triển các ứng dụng y sinh.

Các polymer, dù là tổng hợp (ví dụ như polylactide-co-glycolide hoặc PLG) hoặc có nguồn gốc tự nhiên (ví dụ alginate, chitosan, v.), đều có khả năng bao bọc các phân tử sinh học và dược chất, mang lại lợi thế trong việc điều trị như giải phóng thuốc có kiểm soát, giảm độc tính và bảo vệ thuốc khỏi sự chuyển hóa và mất hoạt tính [26]. Hoạt chất được tải vào bên trong của một polymer sau đó được cấy hoặc tiêm vào cơ thể. Các nghiên cứu ban đầu của các hệ dẫn truyền này là các polymer không phân hủy, có thể giải phóng thuốc ưa dầu có phân tử lượng nhỏ trong một thời gian dài. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là không thể giải phóng các thuốc 6 ` có trọng lượng phân tử lớn và các polymer không phân hủy có thể gây độc cho cơ thể [3].

Để giải quyết vấn đề này một số hệ polymer có khả năng phân hủy sinh học và giải phóng thuốc có phân tử lượng lớn đang được nghiên cứu và phát triển [27].4 Phương pháp dẫn truyền thuốc của chất mang Nhìn chung, hệ dẫn truyền thuốc có thể tác động đến tế bào bệnh theo hai cơ chế thụ động và chủ động. a) Dẫn truyền hướng thụ động Ngày nay bệnh ung thư ngày càng trở nên phổ biến và có xu hướng trẻ hóa, do đó việc thiết kế các hệ dẫn truyền để tăng hiệu quả điều trị ung thư là xu hướng đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Cơ chế dẫn truyền thụ động không liên quan đến receptor và các tính chất bề mặt tế bào mà chỉ dựa vào tính chất bệnh lý của tế bào (nhiệt độ, pH…). Điển hình là các khối u và tế bào ung thư.

Cơ sở để thiết kế các hệ dẫn truyền thuốc là khả năng tăng tính thấm và tăng thời gian bán hủy của dược chất ở tế bào bệnh (EPR), hiệu ứng này được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế các thuốc chống tế bào ung thư [28]. Hiệu ứng EPR cho phép các hệ dẫn truyền thuốc nhắm mục tiêu thụ động đến các khối u. Tại các mô ung thư, do sự phát triển bất thường của tế bào ung thư gây nên sự tăng sinh mạch máu. Các vi mạch máu mới được hình thành có kích thước 600 nm đến 800 nm.

Do đó, hệ dẫn truyền mang thuốc trong tuần hoàn máu dễ dàng vượt qua đi vào mô ung thư, khi gặp các khối u thì tự nhả thuốc và thuốc phát huy tác dụng [29]. Một trong những tính chất bệnh lý được quan tâm và ứng dụng trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc là kích thước khe hở giữa các tế bào. Ở hầu hết các mô khỏe mạnh, kích thước các khe hở lớp nội mô của thành mạch máu thường nhỏ hơn 2 nm.