TỔNG QUAN
Tổng quát về hydrogel
1.1.1 Khái niệm và phân loại [7,8,9]
Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu về hydrogel đã tiến bộ vượt bậc nhờ sự hợp tác của nhiều nhà khoa học từ các lĩnh vực khác nhau Hydrogel được ứng dụng rộng rãi do có khả năng thể hiện tính chất trung gian giữa vật liệu rắn và lỏng.
Hydrogel là một vật liệu với cấu trúc mạng lưới polymer 3 chiều ưa nước, không hòa tan trong nước nhưng có khả năng trương nở tốt Nhờ vào tính chất ưa nước của chuỗi polymer, hydrogel có khả năng giữ lại lượng lớn nước, cùng với bề mặt mềm dẻo, tạo nên tính tương thích sinh học cao Hydrogel là vật liệu đa năng, có thể thay đổi các tính chất lý hóa, cơ học và sinh học thông qua việc điều chỉnh quy trình tổng hợp hoặc các tác nhân kích thích từ môi trường như pH, nhiệt độ, điện trường và từ trường Những đặc tính này giúp hydrogel có ứng dụng rộng rãi trong dược phẩm, thiết bị y sinh và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.
Hydrogel là một trong những chất nền quan trọng trong hệ thống vận chuyển và phân phối dược phẩm nhờ vào tính tương thích sinh học cao với protein, tế bào sống và dịch trong cơ thể Ứng dụng đầu tiên của hydrogel trong y dược là poly(2-hydroxyethyl methacrylate), được phát minh bởi Wichterle và Lim vào năm 1960 Hiện nay, hydrogel đang được phát triển cho nhiều ứng dụng khác nhau trong y sinh, dược phẩm, và hệ thống vận chuyển cũng như phân tán dược phẩm và các chất hoạt động sinh học.
Hydrogel là vật liệu có cấu trúc và tính chất đa dạng, do đó việc phân loại chúng không thể dựa vào một tiêu chuẩn duy nhất Tiêu chí phân loại hydrogel phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp cũng như các tính chất hóa lý của chúng Một số loại hydrogel được phân loại như trong bảng 1.1.
Tổng hợp Hàm lượng nước/ độ trương Độ trương thấp Độ trương trung bình Độ trương cao Siêu hấp thụ
Microporous Macroporous Superporous Liên kết ngang Liên kết hóa học (cộng hóa trị)
Phân hủy sinh học Phân hủy sinh học
Không phân hủy sinh học
Hydrogel có thể được tổng hợp từ nguyên liệu tự nhiên và tổng hợp, với các polymer tự nhiên như protein, polysaccharide và DNA có khả năng tạo liên kết ngang nhưng khó khăn trong quá trình polymer hóa Ngược lại, polymer tổng hợp dễ dàng tạo liên kết ngang, cho phép dự đoán tính chất của hydrogel dựa trên monomer ban đầu Sự kết hợp giữa hydrogel tự nhiên và tổng hợp tạo ra hydrogel mới với ưu điểm của cả hai loại Hydrogel được chia thành hai loại dựa vào kiểu liên kết ngang: hydrogel hóa học, nơi các chuỗi polymer liên kết bằng liên kết cộng hóa trị, và hydrogel vật lý, nơi các lực liên kết khác như liên kết hydro và tương tác kỵ nước tạo thành mạng lưới ba chiều Hydrogel hóa học không thể trở lại hình dạng ban đầu, trong khi hydrogel vật lý có tính chất thuận nghịch, cho phép hòa tan hoặc chảy lỏng khi thay đổi nhiệt độ.
Hydrogel có khả năng trương nở cao và nhanh chóng hơn khi có các lỗ trống trong cấu trúc mạng Những lỗ trống này có thể được tạo ra thông qua nhiều phương pháp khác nhau như kỹ thuật porosigen, tách pha, liên kết giữa các hạt hydrogel riêng lẻ, thổi khí hoặc tạo bọt Dựa vào kích thước của lỗ trống, hydrogel được phân loại thành microporous (10 – 100nm) và macroporous (trên 100nm).
Khả năng trương của hydrogel trong dung dịch nước là một đặc tính quan trọng cho các ứng dụng của nó Độ trương được xác định qua khả năng hấp thụ nước của hydrogel Để xác định động học trương và điểm trương cân bằng, người ta thường đo khối lượng của hydrogel đã trương Tỷ lệ trương (Rs) là thông số thường được sử dụng để chỉ khả năng trương của hydrogel, và Rs được xác định theo một công thức cụ thể.
Rs = (Ws – Wd)/Wd Trong đó : Ws và Wd là khối lượng hydrogel đã trương và hydrogel sau khi sấy khô
Tính trương của hydrogel phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại và thành phần monomer, mật độ liên kết ngang, cũng như các tác nhân môi trường như nhiệt độ, pH và lực ion Mật độ liên kết ngang có mối quan hệ chặt chẽ với các tính chất khác của hydrogel, bao gồm độ bền cơ và khả năng thấm ướt Cơ tính của hydrogel chủ yếu phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của monomer Hydrogel có hàm lượng nước cao thường có cơ tính yếu, nhưng việc tăng cường độ bền cơ thông qua việc tạo nhiều liên kết ngang hoặc đồng trùng hợp với các comonomer kỵ nước có thể làm giảm khả năng trương của hydrogel.
Hydrogel phân hủy sinh học là vật liệu quan trọng cho hệ thống vận chuyển và phân tán dược phẩm, với cơ chế phân hủy giúp kiểm soát quá trình giải phóng thuốc Quá trình phân hủy diễn ra chậm và dần dần thông qua thủy phân cơ bản hoặc thủy phân có xúc tác enzym Các polymer như polylactic (PLA), polyglycol (PGA), và poly ε-caprolacton (PCL) đang mở ra nhiều ứng dụng mới trong kỹ thuật nuôi cấy mô, thay thế khớp xương, và làm chất nền trong hệ thống vận chuyển thuốc.
Polymer phân hủy sinh học thường có tính kỵ nước và không hòa tan trong nước, do đó không thể trực tiếp tạo ra hydrogel Tuy nhiên, nhờ vào sự phát triển của công nghệ tổng hợp hydrogel, có thể kết hợp polymer kỵ nước với polymer ưa nước để tạo ra hydrogel phân hủy sinh học có khả năng trương tốt trong môi trường nước.
1.1.3 Phương pháp tổng hợp hydrogel [8]
Hình 1.1 Các phương pháp tổng hợp hydrogel
Có nhiều phương pháp để tổng hợp hydrogel, thông thường để tổng hợp hydrogel hóa học có 2 phương pháp như chỉ ra ở hình 1.1
Hydrogel hóa học được hình thành thông qua quá trình polymer hóa, trong đó các liên kết ngang được tạo ra từ dung dịch monome với sự tham gia của các tác nhân liên kết Các nhóm chức như vinyl, hydroxyl, amine và carboxyl đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các liên kết ngang này.
Hydrogel vật lý được hình thành thông qua các liên kết vật lý giữa các monome mà không cần phản ứng hóa học Những liên kết này bao gồm các tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, cũng như các tương tác giữa kháng nguyên và kháng thể, cùng với các liên kết siêu phân tử.
1.1.4 Hydrogel nhạy cảm môi trường [1, 8]
Hydrogel là vật liệu có khả năng phản ứng với các thay đổi của môi trường như nhiệt độ, pH, ánh sáng và các phân tử đặc biệt như glucose Điều này cho phép hydrogel trải qua quá trình chuyển pha thuận nghịch hoặc chuyển pha sol-gel khi có sự thay đổi nhỏ trong điều kiện môi trường Nhờ vào những đặc tính này, hydrogel được gọi là hydrogel nhạy cảm với môi trường hay hydrogel thông minh.
Hình 1.2 Mô hình phân tán thuốc từ hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH
Hydrogel trải qua quá trình trương nở khi pH môi trường thay đổi, giúp thuốc khuếch tán dễ dàng qua mạng lưới polymer Ngoài ra, nhiệt độ môi trường cũng làm tăng độ co ngót của hydrogel, dẫn đến quá trình phân tán thuốc diễn ra nhanh hơn do sự ép chặt của mạng polymer Một số loại hydrogel nhạy cảm với môi trường được liệt kê trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 Các hydrogel nhạy cảm môi trường ứng dụng trong hệ vận chuyển - phân tán dược phẩm
Loại polymer Cơ chế chính Ứng dụng
Các block copolymer PEO-PPO, PEG-PCLA
Sự cạnh tranh giữa tương tác kỵ nước và liên kết hydro
Hệ phân tán thuốc On/off, thuốc tiêm dưới da pH PAA, PDEAEM Ion hóa chuỗi polymer dưới sự thay pH
Hệ phân tán thuốc dạng uống
Glucose Hydrogel nhạy cảm với pH là một polymer chứa nhóm phenylborat Sự thay đổi pH dẫn đến quá trình oxi hóa glucose, tạo ra tương tác thuận nghịch giữa polymer chứa glucose và concanavalin A, gây ra hiện tượng chuyển pha sol-gel.
Hệ tự điều chỉnh insulin trong máu
Sóng điện Polyelectrolyte Sự trương nở thuận nghịch dưới áp suất của điện trường
Bộ kích thích cơ nhân tạo, Hệ phân tán thuốc On/off Ánh sáng Copolymer của
PNIPAAm với các tế bào sắc tố nhạy cảm ánh sáng như triphenylmethane và dẫn xuất leuco
Do sự kết hợp của các phân tử cảm quang làm thay đổi nhiệt độ, phân tách thành các cặp ion dưới tác dụng của tia UV
Công tắc quang, thuốc nhỏ mắt
Kháng nguyên Semi-IPN ghép với các kháng thể hoặc kháng nguyên
Sự cạnh tranh giữa các polymer ghép kháng nguyên với các kháng nguyên tự do
Hệ phân tán thuốc điều biến với sự hiện diện của của các kháng nguyên đặc biệt, sensor dùng trong xét nghiệm kháng nguyên, miễn dịch
PNIPAAm = poly(N-isopropylacrylamide); PDEAAm = poly(N,N- diethylacrylamide); PEO-PPO = polyethylene oxide - polypropylene oxide; PAA poly(acrylic acid); PDEAEM = poly( N,N-diethylaminoethyl methacrylate)
Copolymer hydrogel nhạy cảm nhiệt độ PCLA-PEG-PCLA
1.2.1 Giới thiệu Copolymer PCLA-PEG-PCLA [1,7,14-16]
Sau hơn 25 năm nghiên cứu, copolymer hydrogel đã được tổng hợp thành công với nhiều tính chất ưu việt và ứng dụng đa dạng, đặc biệt trong lĩnh vực tá dược, cấy dưới da và nuôi cấy mô Hydrogel nhạy cảm với nhiệt độ có khả năng tương thích tốt với dược phẩm, cho phép chuyển đổi từ trạng thái sol sang gel theo sự thay đổi nhiệt độ Điều này giúp tạo ra gel liên kết chặt chẽ với dược phẩm, đồng thời kiểm soát quá trình phân tán dược phẩm một cách hiệu quả.
PCLA-PEG-PCLA là một copolymer triblock hydrogel phân hủy sinh học có tính nhạy cảm với nhiệt độ, được tổng hợp từ poly(ethylene glycol) (PEG) và ε-caprolactone (CL) kết hợp với D,L lactide, với cấu trúc phân tử được minh họa trong hình 1.14.
Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA là một loại hydrogel nhạy cảm với nhiệt độ, bao gồm các block ưa nước (PEG) ở trung tâm và các block kỵ nước (PCLA) ở hai đầu chuỗi polymer Các block kỵ nước này không chỉ có tính chất nhạy cảm với nhiệt độ mà còn có khả năng phân hủy sinh học, với độ kỵ nước tăng theo nhiệt độ Do đó, trạng thái chuyển pha sol-gel của dung dịch hydrogel này phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA có khả năng liên kết chặt chẽ với dược phẩm và protein, cho phép ứng dụng hiệu quả trong hệ thống vận chuyển và phân phối dược phẩm dưới dạng tiêm dưới da.
Polyme có khối lượng phân tử cao thường được tạo ra từ phản ứng polymer hóa mở vòng của các monome tuần hoàn, diễn ra ở trạng thái nóng chảy, dung dịch hoặc nhũ tương Các chất xúc tác như axit và muối kim loại (thiếc, kẽm, nhôm, sắt) thường được sử dụng, với các ví dụ như Stannous octoate, Stannous chloride, và iron oxide Trong lĩnh vực y dược, chỉ hai loại muối thiếc Stannous (II) chloride và Stannous (II) 2-ethylhexan octoate được phép sử dụng, và chúng cũng được ứng dụng trong thực phẩm Đặc biệt, Stannous (II) 2-ethylhexan octoate là chất xúc tác hiệu quả cho phản ứng polymer hóa lactic Để điều chỉnh tốc độ phản ứng và khối lượng phân tử của polyme, các hợp chất chứa gốc hydroxyl tự do như nước, acid hydroxy, ester và alcohol thường được sử dụng.
Cơ chế phản ứng polymer hóa mở vòng lactic với xúc tác stannous octoate xảy ra như hình 1.15 dưới
Hình 1.15 : Cơ chế phản ứng polymer hóa mở vòng lactic
Copolymer PCLA-PEG-PCLA là một loại triblock copolymer hydrogel phân hủy sinh học, nhạy cảm với nhiệt độ, được tạo ra từ poly(ethylene glycol) (PEG) và ε-caprolactone (CL) kết hợp với D,L lactide Quá trình tổng hợp copolymer này diễn ra thông qua phản ứng polymer hóa mở vòng của lactic và caprolactone ở nhiệt độ khoảng 130 độ C.
150 0 C và trong khoảng thời gian từ 12 - 48 giờ, với xúc tác stannous octoate Triblock copolymer này được tạo nên bởi block ưa nước PEG và block kỵ nước PCLA
PEG, hay polyethylen glycol, là hợp chất được sử dụng phổ biến trong y dược nhờ tính không độc hại và khả năng ưa nước của nó Cấu trúc cơ bản của PEG cho phép nó dễ dàng hòa tan trong nước, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực sức khỏe.
Hình 1.16 : Công thức phân tử của PEG Trong đó, R là H hoặc nhóm alkyl chứa từ 1-5C và n = 11-45
Khối lượng phân tử trung bình của PEG thường được sử dụng trong tổng hợp polymer y sinh nằm trong khoảng 1000 - 5000, giúp đảm bảo các đặc tính pha mong muốn Nếu khối lượng trung bình của PEG nhỏ hơn 1000 hoặc lớn hơn 5000, copolymer thu được sẽ không đạt được các đặc tính chuyển pha sol - gel như kỳ vọng, hoặc có thể xảy ra chuyển pha nhưng độ bền của trạng thái gel rất yếu Điều này khiến chúng không thể được sử dụng làm vật liệu nền cho hệ phân phối thuốc.
Thành phần phân hủy sinh học của triblock copolymer chủ yếu là các polyester béo, như polylactide (PLA), polyglycolide (PGA), polycaprolactone (PCL), và các copolymer ngẫu nhiên như poly(caprolactone-lactide) (PCLA), poly(caprolactone-glycolide) (PCGA), và poly(lactide-glycolide) (PLGA) Sự hiện diện của các polyester này ảnh hưởng đến đặc tính nhạy cảm nhiệt của triblock copolymer Tỷ lệ các thành phần trong copolymer rất quan trọng để đạt được các đặc tính ưu việt cho hệ thống phân phối thuốc, với tỷ lệ ưa nước/kỵ nước (PEG/PCLA) thường nằm trong khoảng 1.1 - 1.3 (tỷ lệ khối lượng) Nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 1.1, gel sẽ không hình thành, trong khi nếu lớn hơn 1.3, thành phần kỵ nước sẽ tăng cao, làm cho copolymer không thể hòa tan hay trương nở trong môi trường nước.
Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA được tổng hợp theo sơ đồ phản ứng dưới đây
Hình 1.17 : Sơ đồ phản ứng tổng hợp Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA
1.2.3.1 Tính chất nhạy cảm nhiệt độ
Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA là một loại hydrogel đặc biệt, có khả năng phân hủy sinh học và nhạy cảm với nhiệt độ nhờ vào cấu trúc polymer bao gồm hai thành phần chính: block kỵ nước PCLA và block ưa nước PEG Khi nhiệt độ tăng, PCLA chuyển sang trạng thái ưa nước, giúp hydrogel này có khả năng trương nở tốt trong dung dịch nước Đặc điểm trương nở của nó thay đổi theo nhiệt độ môi trường, cho phép hấp thụ một lượng lớn nước mà không tan trong dung dịch Cấu trúc ba chiều của triblock copolymer này tạo ra liên kết kỵ nước, dẫn đến khả năng chuyển pha giữa sol-gel theo sự thay đổi nhiệt độ, có thể được kiểm soát dễ dàng qua các phương pháp in vitro và in vivo.
Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA có cấu trúc micell với tâm mixen (core) bao gồm các block ưa nước và các block kỵ nước ở phần cuối chuỗi polymer (shell) Các block kỵ nước này đóng vai trò quan trọng như một phần nhạy cảm với nhiệt độ, tính kỵ nước của chúng tỷ lệ thuận với sự gia tăng nhiệt độ Do đó, triblock copolymer này thể hiện tính tan và không tan, phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ.
Cơ chế của sự chuyển pha sol-gel của copolymer này được chỉ ra ở hình 1.18
Hình 1.18 : Sự chuyển pha sol-gel của copolymer hydrogel nhạy cảm nhiệt
PCLA - PEG - PCLA là một copolymer có khả năng hòa tan trong nước ở nhiệt độ thấp nhờ vào tính kỵ nước yếu của PCLA, dẫn đến sự hình thành micell với PCLA ở nhân và PEG ở lớp ngoài Khi nhiệt độ tăng, PCLA trở nên kỵ nước hơn, làm cho nhiều phân tử copolymer tạo thành micell và tạo ra các cầu nối giữa chúng, dẫn đến sự chuyển đổi từ trạng thái sol sang gel Tuy nhiên, khi nhiệt độ quá cao, PCLA trở nên quá kỵ nước, làm giảm khả năng hòa tan của copolymer và gây ra hiện tượng lắng đọng Nhiệt độ chuyển từ trạng thái sol sang gel được gọi là nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST), trong khi nhiệt độ dung dịch tới hạn trên (UCST) là nhiệt độ khi copolymer chuyển pha ngược lại.
Giản đồ pha điển hình của triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA trong dung dịch nước thể hiện như hình 1.19
Hình 1.19: Giản đồ pha của polymer hydrogel phân hủy sinh học nhạy cảm nhiệt độ
Vùng gel trong giản đồ pha có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi khối lượng phân tử của PEG, tỷ lệ khối lượng PCLA/PEG và nồng độ dung dịch copolymer.
1.2.3.2 Tính chất phân hủy sinh học
Triblock copolymer hydrogel PCLA-PEG-PCLA được cấu tạo từ hai thành phần chính: block ưa nước PEG và block kỵ nước PCLA Block kỵ nước PCLA là một copolymer được hình thành từ polyester poly(D,L-Lactide) và poly(ε-caprolactone), đóng vai trò quyết định trong tính chất phân hủy sinh học của triblock này.
Poly(D,L-Lactide) và poly(ε-caprolactone) là hai loại polyester béo có khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học tốt Trong môi trường cơ thể sống, các polymer này có thể phân hủy thành CO2 và H2O thông qua quá trình cắt mạch bởi enzym, thủy phân hoặc các tác nhân khác Ở pH 7.4 và nhiệt độ 37°C, PLA phân hủy nhanh hơn PCL, và copolymer của chúng có thể phân hủy hoàn toàn trong 14 tuần với tỷ lệ LA/CL là 50:50 Khả năng phân hủy sinh học của triblock PCLA-PEG-PCLA phụ thuộc vào cấu trúc phân tử và tỷ lệ giữa các thành phần; khi tỷ lệ PCLA/PEG cao, khả năng phân hủy sinh học tăng lên, trong khi tốc độ phân hủy phụ thuộc vào tỷ lệ PLA/PCL Đặc biệt, khả năng phân hủy của triblock này có thể được kiểm soát thông qua các tỷ lệ thành phần trong cấu trúc.
PEG, PCL và PLA là các polymer an toàn cho cơ thể, với PCL và PLA có khả năng phân hủy sinh học chậm và tính tương thích sinh học tốt Sự chuyển trạng thái pha của triblock xảy ra gần nhiệt độ cơ thể, cho phép kiểm soát quá trình chuyển pha sol-gel Những đặc tính này giúp Triblock copolymer hydrogel PCLA-PEG-PCLA có tiềm năng ứng dụng cao trong hệ thống phân phối thuốc có kiểm soát, như thuốc tiêm dưới da, thuốc dạng cấy ghép và thuốc uống.
Cơ chế phân tán thuốc của triblock này trong cơ thể chủ yếu theo hướng khuếch tán như mô hình sau
Hình 1.20 : Mô hình phân tán dược phẩm của triblock copolymer hydrogel
Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới
Polymer sinh học đóng vai trò quan trọng trong y dược, được ứng dụng để chẩn đoán và điều trị bệnh, cũng như thay thế các bộ phận cơ thể Hiện nay, hệ thống phân phối thuốc được kiểm soát thông qua quá trình chuyển pha sol-gel của vật liệu mang, nhờ vào việc thay đổi cấu trúc của hệ, như sử dụng polymer phân hủy sinh học, polymer có tính ưa nước và kỵ nước, hoặc polymer với cấu trúc hydrogel Hydrogel cho phép polymer trương nở tốt trong nước mà không hòa tan, và đã trở thành trọng tâm trong nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây.
Bằng sáng chế Mỹ số 6,004,573 đã giới thiệu một triblock copolymer có khối lượng phân tử thấp và khả năng phân hủy sinh học, được cấu tạo từ hai phần: phần kỵ nước là copolymer của PLA và PGA, và phần ưa nước là PEG Đặc tính pha của copolymer này phụ thuộc vào tỷ lệ giữa thành phần kỵ nước và ưa nước Trong khoảng nhiệt độ từ 5°C đến 25°C, thành phần kỵ nước gia tăng, khiến copolymer tồn tại ở trạng thái dung dịch trong suốt Khi nhiệt độ đạt 37°C trong cơ thể, copolymer tự động chuyển sang trạng thái gel hydrogel ngậm nước và duy trì trạng thái này trong suốt thời gian tồn tại, từ đó được ứng dụng làm hệ phân phối thuốc dưới dạng thuốc nhả chậm.
Bằng sáng chế Mỹ số 2008/027 4190A1 mô tả một loại copolymer nhạy cảm với nhiệt độ và pH, có cấu trúc micell với tâm là block ưa nước PEG và shell là block kỵ nước từ copolymer PCL và PLA Hai block này tạo thành triblock PCLA-PEG-PCLA nhạy cảm với nhiệt độ Khi kết hợp với oligome PU, copolymer này trở thành pentablock PU-PCLA-PEG-PCLA-PU, nhạy cảm với cả nhiệt độ và pH Ở nhiệt độ 37°C và pH 7.0 - 7.4, copolymer tồn tại ở dạng gel, trong khi ở điều kiện khác, nó ở dạng dung dịch (sol) Do đó, copolymer này được ứng dụng trong hệ thống phân phối thuốc tiêm vào cơ thể Hỗn hợp thuốc được phân tán trong copolymer PU-PCLA-PEG-PCLA-PU được tiêm ở nhiệt độ thấp (< 37°C và pH < 7.0) dưới dạng lỏng Khi vào cơ thể, ở nhiệt độ 37°C và pH 7.4, copolymer chuyển sang trạng thái gel không hòa tan và phân hủy sinh học chậm, từ đó thực hiện quá trình nhả thuốc.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Hóa chất và thiết bị thí nghiệm
Poly(ethylene glycol) (PEG) là một loại polymer ưa nước, cho phép nó hòa tan trong nước cũng như một số dung môi hữu cơ như metylen clorua, etanol, toluen và axeton.
PEG có khối lượng phân tử từ 1500 đến 2000 thì ở dạng rắn màu trắng
Nhiệt độ chảy : > 67 0 C phụ thuộc vào khối lượng phân tử
PEG gồm các loại sau: M = 1500, 2000, 1750 của hãng Sigma-Aldrich Co
Poly(ethylene glycol) (PEG) được kết tinh lại trong n-hexane và sấy khô chân không trong 3 ngày trước khi dùng
Hình 2.2: Cấu trúc phân tử của ε-caprolactone (CL) ε-caprolactone ở điều kiện thường là chất lỏng không màu, có thể trộn lẫn với hầu hết các dung môi hữu cơ
Khối lượng riêng : 1.030g/cm 3 ε-caprolactone (CL) của hãng Sigma-Aldrich Co
Hình 2.3: Cấu trúc phân tử của D,L-lactide (LA)
D,L-lactide (LA) là chất rắn tinh thể màu trắng
D,L-lactic (LA) của hãng Polyscience Biohringer Ingellheim
Hình 2.4: Cấu trúc phân tử của Stannous Octoate [Sn(Oct)2]
Công thức phân tử :[CH3(CH2)3CH(C2H5)COO]2Sn
Chất lỏng màu vàng nhạt
Stannous Octoate [Sn(Oct)2] của hãng Sigma chemical Co
2.1.1.5 Các dung môi và hóa chất khác
Các hóa chất cần thiết khác
- Bình cầu 2 cổ đáy tròn 100ml
- Bộ thiết bị phản ứng gồm: Bể điều nhiệt gia nhiệt bằng dầu silicon, Máy khuấy từ
- Thiết bị chứa khí Nitơ
Hình 2.5 Bộ thiết bị phản ứng
Qui trình thực nghiệm
2.2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp
Kết tinh lại bằng Diethyl ether Làm lạnh đến Nhiệt độ phòng
2.2.2 Diễn giải quy trình tổng hợp
Triblock copolymer PCLA-PEG-PCLA được tổng hợp bằng cách polymer hóa mở vòng D,L-lactide (LA) Phản ứng này xảy ra ở khoảng nhiệt độ từ 130 0 c đến
Chúng tôi tiến hành tổng hợp triblock copolymer bằng cách sử dụng PEG có khối lượng phân tử khác nhau, bắt đầu bằng nhóm OH ở cuối phân tử PEG với xúc tác thiếc octoate (Sn(Oct)2) trong điều kiện 150°C trong khoảng thời gian 12 đến 24 giờ.
Triblock copolymer có khối lượng phân tử từ 1750 đến 2000, với thành phần quyết định sự cân bằng giữa tỷ lệ kỵ nước và ưa nước của PCLA/PEG cùng với tỷ lệ mol CL/LA Quy trình tổng hợp triblock copolymer được thực hiện bằng cách cho PEG và stannous octoate vào bình cầu 2 cổ và sấy trong môi trường chân không.
Nhiệt độ được duy trì ở 110°C trong 2 giờ, sau đó làm lạnh xuống 60°C Tiếp theo, thêm CL và LA vào hỗn hợp, với tỷ lệ mol CL/LA cố định ở 2.0:1, cả CL và LA đã được sấy khô trong môi trường khí Nitơ Hỗn hợp phản ứng được sấy trong môi trường chân không ở 60°C trong 1 giờ, sau đó tăng nhiệt độ từ từ đến 130°C Phản ứng mở vòng diễn ra trong 18 giờ Sau khi phản ứng hoàn tất, sản phẩm được làm lạnh đến nhiệt độ phòng trước khi hòa tan trong dung dịch chloroform, và sau đó được kết tủa lại bằng diethyl ether dư Sản phẩm kết tủa được sấy chân không ở nhiệt độ phòng.
Khối lượng các chất phản ứng của 8 mẫu xem phụ lục 1 trang 66
Phản ứng tổng hợp triblock copolymer như sau :
Hình 2.6 Phản ứng tổng hợp triblock copolymer
Phương pháp đánh giá thực nghiệm
Phổ 1H-NMR được ghi nhận trên máy Varian-Unity Inova 500NB với tần số 500MHz, nhằm xác định cấu trúc phân tử và thành phần của block copolymer Dung môi CDCl3 chứa 0,03% (v/v) Tetramethylsilane (TMS) được sử dụng trong quá trình phân tích Hàm lượng của từng block được tính toán dựa trên các đỉnh proton đặc trưng của PEG và LA.
Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử của copolymer được xác định thông qua phương pháp sắc ký thấm gel (Gel Permeation Chromatography) sử dụng máy Waters Model 410 Hệ thống này bao gồm hai thỏp Styregel 4 được nối trực tiếp, với kích thước lỗ từ 500 đến 10Å Tetrahydrofuran được sử dụng làm dung môi rửa giải hấp, với tốc độ chảy là 1 ml/phút.
Sử dụng poly(ethylene glycol) để hiệu chỉnh máy đo có khối lượng phân tử trong khoảng từ 420 đến 22100 Máy sử dụng chỉ số khúc xạ của detector Shodex, RI.
101) Mỗi phép đo kéo dài trong vòng 45 phút
2.3.3 Khảo sát quá trình chuyển pha sol-gel của triblock copolymer
Trạng thái chuyển pha sol-gel của triblock copolymer trong môi trường nước được xác định thông qua phương pháp thử nghiệm nghịch chuyển sử dụng ống nghiệm 4ml, đường kính 10mm Block copolymer được hòa tan trong dung dịch đệm PBS với nồng độ đã định ở 10°C và pH được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 5M Sau khi hòa tan hoàn toàn, dung dịch được giữ ổn định ở 0°C trong 1-2 ngày trước khi khảo sát Sự chuyển pha sol-gel ở mỗi nhiệt độ được xác định bằng cách đo góc ngang của ống nghiệm sau khi giữ ở nhiệt độ không đổi trong 10 phút.
Hình 2.7 Trạng thái chuyển pha sol -gel của triblock copolymer
2.3.4 Khảo sát khả năng phân hủy sinh học theo in Vitro (trong điều kiện phòng thí nghiệm)
Khả năng phân hủy sinh học của triblock copolyme ở trạng thái gel được đánh giá qua sự thay đổi khối lượng phân tử theo thời gian Thí nghiệm In Vitro bắt đầu với 0.5mg dung dịch copolyme (25wt% ở pH=7.4) cho vào ống nghiệm 4ml, sau đó ống nghiệm được giữ ở 37°C cho đến khi dung dịch chuyển sang trạng thái gel Tiếp theo, 3ml dung dịch đệm PBS (cũng ở 37°C, pH=7.4) được thêm vào ống nghiệm, và ống nghiệm tiếp tục được duy trì ở 37°C Sau một khoảng thời gian x ngày, ống nghiệm được lấy ra, đem say thăng hoa để thu được mẫu gel trắng, và cuối cùng, khối lượng phân tử được xác định bằng phương pháp GPC.
Quy trình thử in vitro
Hình 2.8 Mô phỏng quy trình thử In Vitro
2.3.5 Khảo sát khả năng phân hủy sinh học theo in vivo ( trong cơ thể sống)
Sự phân hủy in vivo của gel được thực hiện trên chuột bạch cái (SD) có trọng lượng từ 25g-30g Một lượng 200µl dung dịch copolyme 30 wt% được tiêm dưới da ở vùng lưng chuột SD với pH 7.4 và nhiệt độ 10°C Sau một thời gian, vùng tiêm được mổ ra để kiểm tra kích thước của gel, từ đó đánh giá khả năng phân hủy của triblock.
Quy trình thử in vivo trên chuột
Hình 2.9 Mô phỏng quy trình thử In Vivo
