Nghiên cứu biến tính bề mặt nano silica làm chất mang thuốc chống ung thư

TỔNG QUAN 1

Trong những năm gần đây, nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano trong y sinh đã thu hút sự chú ý lớn từ các nhà khoa học Công nghệ nano trong y học không chỉ tạo ra vật liệu dẫn truyền thuốc mà còn cải thiện kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh Đặc biệt, hạt nano silica xốp nổi bật với nhiều tính chất độc đáo, hứa hẹn mang lại những nghiên cứu triển vọng trong tương lai gần.

Silica, hay còn gọi là silicon dioxide (SiO2), tồn tại phổ biến trong tự nhiên dưới dạng các hợp chất chứa oxy Đến nay, chưa có phát hiện nào về silic tồn tại riêng lẻ Các hợp chất silica chiếm khoảng 78% lớp vỏ trái đất, bao gồm thạch anh, đá lửa, opal và nhiều loại khác.

Silica là một chất độn quan trọng được sử dụng rộng rãi trong ngành sơn, giúp tăng trọng lượng, độ cứng và độ trong suốt của sản phẩm Nó không chỉ cải thiện độ bền va đập của vật liệu mà còn nâng cao khả năng phân tán và độ bóng láng cho sản phẩm kim loại Bên cạnh đó, silica còn dễ gia công và góp phần giảm giá thành sản phẩm.

Trong lĩnh vực vật liệu nano, silica xerogels và nano silica xốp (PNS) là hai nhóm vật liệu chủ yếu được sử dụng để mang và phân phối thuốc Silica xerogel có cấu trúc vô định hình, trong khi nano silica xốp sở hữu hình dạng ổn định và diện tích bề mặt lớn hơn nhiều loại vật liệu nano khác Để sản xuất nano silica xốp, phương pháp sol-gel được áp dụng, trong đó các điều kiện tổng hợp như tỷ lệ thuốc thử, nhiệt độ, nồng độ chất xúc tác và áp suất sấy sẽ quyết định hình dạng và kích thước của hạt vật liệu.

Silica xerogel từng được sử dụng rộng rãi trong y học để mang thuốc như phenytoin, doxorubicin, cisplatin, metronidazole, nifedipine, diclofenac và heparin Tuy nhiên, do độ tương thích sinh học không cao và tính độc hại khi vào cơ thể người, silica xerogel đang bị hạn chế sử dụng và dần được thay thế bởi vật liệu nano silica xốp (PNS).

Vật liệu PNS là một dạng silica trung tính được phát triển gần đây trong công nghệ nano

Nanogel là một vật liệu điển hình với cấu trúc xốp độc đáo, giúp duy trì ổn định hóa học, cải thiện chức năng bề mặt và tính tương thích sinh học Điều này đảm bảo khả năng mang và giải phóng thuốc một cách hiệu quả, với sai số thấp nhất có thể.

Nano silica xốp (PNS) được ưa chuộng nhờ tính sẵn có trong thiên nhiên, dễ tìm kiếm và thân thiện với con người PNS có khả năng tương thích sinh học cao hơn so với nano vàng và nano sắt từ, đồng thời có thể dễ dàng thay đổi cấu trúc và kích thước lỗ xốp tùy theo mục đích sử dụng Đặc biệt, các đặc tính bề mặt của PNS có thể được xác định bằng các phương pháp thông thường, giúp kiểm soát việc mang và giải phóng thuốc hiệu quả So với silica xerogel, PNS sở hữu cấu trúc đồng nhất và diện tích bề mặt lớn hơn, phù hợp cho việc hấp phụ các phân tử thuốc trong điều trị và chẩn đoán Hơn nữa, PNS an toàn và không gây tác dụng phụ độc tế bào, mở ra cơ hội phát triển trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong phân phối thuốc và gen Với những ưu điểm vượt trội, PNS hứa hẹn sẽ là vật liệu tiềm năng trong phát triển hệ thống phân phối thuốc bằng hạt nano.

1 1 2 Vật liệu nano silica xốp

Vật liệu nano silica xốp (PNS) là một loại vật liệu khác biệt so với silica tự nhiên, mặc dù có thành phần chính là SiO2 PNS được tổng hợp nhân tạo, cho ra sản phẩm đồng đều cao với cấu trúc lỗ xốp dạng tổ ong, giúp tăng khả năng hấp phụ các nguyên tử và phân tử, rất thuận lợi cho việc làm chất mang Để tạo ra các lỗ xốp, các chất hoạt động bề mặt được sử dụng để định hình kích thước và hình dạng lỗ xốp, cùng với các yếu tố như thời gian phản ứng, nhiệt độ, nồng độ chất, xúc tác và môi trường phản ứng PNS đang trở thành vật liệu lý tưởng trong lĩnh vực phân phối thuốc nhờ vào hoạt tính sinh học cao và khả năng chống thấm tốt, giúp bảo quản thuốc hiệu quả hơn Với tính ổn định cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng tổng hợp quy mô lớn, PNS hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong tương lai Phương pháp sol-gel, đặc biệt là phương pháp Stöber, đã được lựa chọn để tổng hợp PNS với kích thước hạt đồng đều, sử dụng các dung dịch ancol chứa silicon alkoxide và xúc tác amin bậc thấp.

NH 3 sẽ giúp thúc đẩy nhanh quá trình thủy phân, giúp làm giảm thời gian phản ứng cũng như chi phí thiết bị vận hành [12]

1 1 3 Các tính chất của vật liệu nano silica xốp

Nano silica xốp (PNS) có kích thước nhỏ từ 20-200nm, sở hữu những tính năng độc đáo và đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp Với tiềm năng phát triển mạnh mẽ, PNS hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong các lĩnh vực khác nhau.

Hạt nano silica được tổng hợp qua phương pháp Stober có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng biến tính và tạo ra nhiều lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu quả mang thuốc.

Kích thước lỗ rỗng lớn và khả năng điều chỉnh linh hoạt là yếu tố quan trọng trong việc cải thiện khả năng mang thuốc Những lỗ rỗng này có thể thay đổi kích thước trong khoảng từ 2 đến 10 nm, cho phép tối ưu hóa hiệu quả truyền tải dược chất.

Nano silica xốp có khả năng vận chuyển vượt trội nhờ vào cấu trúc với các lỗ rỗng lớn, cho phép hấp phụ hiệu quả các loại thuốc Do đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong y học, đặc biệt là trong việc mang thuốc chống ung thư, DNA và hormone.

Nano silica nổi bật với tính chọn lọc cao và sự bền vững, ổn định khi kết hợp với thuốc, điều này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho việc mang thuốc.

Tính phân hủy sinh học của nano silica rất quan trọng trong ứng dụng phân phối thuốc, vì nano silica có trọng lượng phân tử phù hợp có khả năng được thải ra qua thận trong cơ thể.

Một nhược điểm của nano silica xốp là khả năng bảo vệ thuốc trong quá trình vận chuyển kém, dẫn đến nguy cơ thuốc bị rò rỉ ra ngoài Điều này không chỉ gây hại cho các tế bào lành tính mà còn làm giảm hiệu quả điều trị.

THỰC NGHIỆM 29

2 1 Hóa chất và thiết bị

Bảng 2 1 Tên hóa chất và nơi xuất xứ

1-Ethyl-3-(3-dimethylami nopropyl)carbodiimide hydrochloride

Trung Quốc Merck Merck Merck

Tây Ban Nha Merck Màng cellulose 6000-8000 và 3000-5000 Da Merck

MerckMerckTrung QuốcTrung Quốc

 Máy đánh siêu âm UP200Ht

 Máy khuấy từ gia nhiệt

 Bình tam giác, cốc thủy tinh

 Cân điện tử EB35B-Pro

 Giấy đo pH, giấy lọc

2 2 1 Tổng hợp nano silica xốp và tạo cầu nối biến tính

2 2 1 1 Tổng hợp vật liệu nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp sol-gel[54]

Nano silica xốp được tổng hợp qua phương pháp sol-gel, với kích thước hạt đồng đều dưới 100 nm Quá trình này sử dụng chất hoạt động bề mặt để cải thiện tính chất của sản phẩm.

Cetyltrimethylamonium bromide (CTAB) đóng vai trò quan trọng trong việc định hình cấu trúc lỗ xốp cho vật liệu nano, đồng thời cũng được coi là khung sườn cho quá trình thủy phân TEOS Sự hiện diện của CTAB tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các hạt nano silica xốp trong giai đoạn tiếp theo.

Hình 2 1 Mô tả qui trình tổng hợp Porous nano silica (PNS)

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp này như nhiệt độ, tốc độ khuấy,xúc tác, hàm lượng tetraethyl orthosilicate (TEOS), lượng nước

Trên cơ sở đó, chúng tôi tiến hành khảo sát kích thước hạt dựa trên lượng NH 3 , TEOS, ethanol với tốc độ khuấy khoảng 350 vòng/phút, nhiệt độ 60oC

Hình 2 2 Sơ đồ qui trình tổng hợp nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp sol-gel

2 2 1 2 Tổng hợp vật liệu nano silica xốp bằng phương pháp kết tủa [55]

Vỏ trấu được làm sạch bằng nước, sau đó phơi khô tự nhiên và xử lý nhiệt ở nhiệt độ 700oC trong 10 giờ Kết quả của quá trình này là tro trấu có màu trắng xám.

10g tro trấu được hòa tan bằng dung dịch NaOH 2N và khuấy trên bể khuấy từ ở nhiệt độ 100oC trong 1 giờ 30 phút đến 2 giờ Sau khi hòa tan, sản phẩm được lọc qua giấy lọc, thu được dung dịch sodium silicate có màu vàng trong.

Trung hòa dung d ịch sodium silicate

Dung dịch sodium silicate được trung hoà bằng dung dịch HCl 1,5N và khuấy trong bể khuấy Trong quá trình trung hoà, pH của dung dịch được điều chỉnh trong khoảng 6 đến 6,5 cho đến khi xuất hiện kết tủa, sau đó dừng khuấy.

Ly tâm tách ch ất r ắn, s ấy chân không thu đượ c sả n phẩm

Sau khi trung hòa, hỗn hợp được chuyển vào ống nghiệm có nắp và ly tâm ở tốc độ 4000 vòng/phút trong 20 phút để tách phần rắn Tiếp theo, phần rắn này được rửa sạch bằng nước cất ba lần (mỗi lần 5 mL) và hai lần bằng ethanol (mỗi lần 5 mL) Cuối cùng, quá trình đông khô diễn ra trong 20 giờ để thu được sản phẩm nano silica.

Trình tự thí nghiệm được mô tả qua hình sau:

Trung hoà Lọc Đông khô

Hình 2 3 Qui trình tổng hợp nano silica xốp (PNS) bằng phương pháp kết tủa tâm Ly tan

2 2 1 3 Tạo cầu nối biến tính

PNS được kết hợp với (3-Glycidoxypropyl)trimethoxysilane (PNS-GPTMS) nhằm tạo ra nhóm hoạt hóa mạnh, thuận lợi cho việc biến tính PNS Công thức cấu tạo của GPTMS chứa vòng epoxid hoạt hóa mạnh Quá trình tạo cầu nối GPTMS được thực hiện bằng cách siêu âm hỗn hợp 1g PNS-CTAB và 30 mL dung dịch toluene trong 1 giờ, sau đó khuấy trong 30 phút ở nhiệt độ phòng trong môi trường khí nitơ Tiếp theo, 1 mL GPTMS được thêm từ từ vào hỗn hợp và phản ứng diễn ra trong 12 giờ dưới khí nitơ ở nhiệt độ phòng.

Tiến hành thẩm tách sản phẩm bằng màng cellulose (MW 6000-8000 Da) trong 250 mL hỗn hợp acid acetic 2(M) và ethanol (1:1) qua 5 lần Cuối cùng, sản phẩm thu được dưới dạng bột mịn sau khi đông khô.

Hình 2 4 Qui trình tổng hợp PNS-GPTMS

Hạt nano PNS-APTES được tổng hợp qua phương pháp sol-gel, với APTES cung cấp nhóm -NH2 cho bề mặt hạt nano silica xốp Quy trình tổng hợp PNS-APTES có sự tương đồng với quy trình sản xuất nano silica PNS, như được minh họa trong hình 2.5.

Để tổng hợp PNS-APTES, đầu tiên khuấy đều hỗn hợp gồm 64 mL nước deion và 2,6g Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) ở nhiệt độ 60°C trong 30 phút Sau đó, từ từ thêm hai dung dịch gồm 11,25 mL ethanol và 550 µL NH3 (2,8%) vào hỗn hợp, tiếp tục khuấy trong 5 phút với tốc độ khuấy đều.

Chuẩn bị 8 mL tetraethylorthosilicate (TEOS) và nhỏ từ từ vào hỗn hợp bằng kim tiêm Giữ phản ứng trong 2 giờ kể từ khi nhỏ hết TEOS Sau đó, lấy mẫu ra và ngâm vào nước lạnh, đồng thời đánh siêu âm trong 30 phút.

Sau khi thực hiện quá trình siêu âm, từ từ thêm 4mL ethanol và 1mL APTES vào hỗn hợp Tiến hành khuấy đều trong 20 giờ ở nhiệt độ 30oC Cuối cùng, mẫu được siêu âm thêm trong 30 phút.

Dung dịch thu được được thẩm tách bằng màng cellulose có trọng lượng phân tử từ 6.000 đến 8.000 Da trong nước trong 3 ngày Sau đó, quá trình thẩm tách tiếp tục trong 250 mL hỗn hợp acid acetic 2(M) và ethanol theo tỉ lệ 1:1, thực hiện trong 5 lần.

Dung dịch thu được đem đông khô, thu được sản phẩm dạng bột màu trắng, mịn

2 2 2 Biến tính vật liệu nano silica xốp

2 2 2 1 Biến tính bằng hydrazine (tổng hợp PNS-GPTMS-Hydrazine là chất mang thuốc 1)

PNS-GPTMS được hòa tan hoàn toàn trong nước khử ion, sau đó từ từ nhỏ hỗn hợp này vào hydrazine Quá trình phản ứng diễn ra trong 12 giờ dưới điều kiện khuấy từ ở nhiệt độ phòng.

Sản phẩm được đưa vào màng (MW 12kD-14kDa) và thẩm tách trong nước cất khoảng 3 ngày, sau đó đông khô thu sản phẩm

Hình 2 6 Quy trình tổng hợp PNS-GPTMS-Hydrazine

2 2 2 2 Biến tính PNS bằng Chitosan-mPEG (tổng hợp PNS-GPTMS-CS-mPEG là chất mang thuốc 2)

Cân 0,25g mPEG (5000Da) vào bình cầu 3 cổ và gia nhiệt đến 65-70 độ C để mPEG chảy ra Trong suốt quá trình gia nhiệt, cần duy trì môi trường chân không bằng cách hút chân không để đảm bảo phản ứng diễn ra hiệu quả.