Nghiên cứu ứng dụng vi hạt alginate chế tạo bằng thiết bị vi lưu cho quá trình vận chuyển thuốc

TỔNG QUAN

Vi h ạt trong vận chuyển phân phối thuốc

1.1.1 Phân phối thuốc được kiểm soát

Hệ thống phân phối thuốc được kiểm soát giúp tối ưu hóa tác dụng của liệu pháp dược lý bằng cách duy trì nồng độ thuốc trong khoảng an toàn Mỗi loại thuốc có nồng độ hiệu quả tối thiểu, dưới đó không có tác dụng điều trị, và nồng độ độc hại tối thiểu, trên đó có thể xảy ra tác dụng phụ độc hại Phạm vi giữa hai nồng độ này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả điều trị mà không gây hại cho bệnh nhân.

Phạm vi điều trị của thuốc có thể khá hẹp, và để tối ưu hóa hiệu quả điều trị, việc duy trì nồng độ thuốc trong phạm vi này là rất quan trọng, đặc biệt với các thuốc mạnh như thuốc chống ung thư Khi sử dụng liều thuốc toàn bộ cùng lúc, chẳng hạn như viên nén tiêu chuẩn, thuốc sẽ được giải phóng nhanh chóng vào dạ dày, hấp thụ vào máu và phân phối khắp cơ thể, dẫn đến tốc độ đạt vị trí tác dụng cao Tuy nhiên, tùy thuộc vào phạm vi điều trị và liều lượng, nguy cơ tác dụng phụ độc hại có thể gia tăng Khi cơ thể loại bỏ hoạt chất, nồng độ thuốc sẽ giảm, và trong một số trường hợp, phạm vi điều trị chỉ tồn tại trong thời gian ngắn.

Cửa sổ điều trị (therapeutic window) của một loại thuốc được thể hiện qua sơ đồ, mô tả thời gian nồng độ thuốc trong cơ thể khi sử dụng các dạng bào chế khác nhau Đường cong a phản ánh nồng độ thuốc từ dạng phóng thích ngay lập tức qua đường uống, trong khi đường cong b thể hiện nồng độ từ dạng liều phóng thích có kiểm soát qua đường tiêm.

Để khắc phục những hạn chế trong việc sử dụng thuốc, hệ thống phân phối thuốc có kiểm soát có thể được áp dụng nhằm kiểm soát nồng độ thuốc tại vị trí sử dụng Ý tưởng này bao gồm việc kết hợp hoặc bao quanh thuốc bằng chất nền, thường là polymer, để điều chỉnh tốc độ giải phóng Các quá trình như mài mòn, xói mòn và trương nở có thể tham gia vào việc kiểm soát tốc độ giải phóng tổng thể, tạo ra nhiều kiểu giải phóng khác nhau Ví dụ, việc cung cấp thuốc liên tục có thể bù đắp cho sự đào thải hoạt chất ra khỏi cơ thể, giúp duy trì nồng độ thuốc ổn định tại vị trí tác dụng trong thời gian dài.

Các dạng bào chế giải phóng có kiểm soát như viên nén, viên nang, viên nhỏ, miếng dán và vi hạt (MP) đang có mặt trên thị trường Trong số đó, vi hạt mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm khả năng tránh đường tiêu hóa, quản lý dễ dàng với kim tiêm tiêu chuẩn, và khả năng đưa thuốc trực tiếp vào mô đích, giảm thiểu nồng độ thuốc trong cơ thể và nguy cơ tác dụng phụ Ngoài ra, vi hạt còn có thể tiếp cận các mô đích khó tiếp cận như hệ thần kinh trung ương và không yêu cầu phẫu thuật để loại bỏ Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) là chất nền phân hủy sinh học phổ biến, tương hợp sinh học và phân hủy thành axit lactic và axit glycolic, hai chất tự nhiên trong cơ thể người.

Đến nay, thuốc uống vẫn là phương pháp phổ biến nhất để điều trị Tuy nhiên, thời gian bán hủy ngắn và khả năng hấp thu hạn chế qua một đoạn ruột cụ thể đã làm giảm hiệu quả điều trị của nhiều loại thuốc Những hạn chế về dược động học này thường yêu cầu người bệnh phải sử dụng thuốc thường xuyên để đạt được kết quả mong muốn Do đó, một giải pháp hợp lý để nâng cao sinh khả dụng và cải thiện dược động học cũng như dược lực học là phát triển các phương pháp giải phóng thuốc có kiểm soát và đặc hiệu tại vị trí điều trị.

Vi hạt là một hệ thống phân phối thuốc với kích thước hạt từ 1 đến vài mm, giúp bảo vệ thuốc khỏi môi trường và ổn định các dược chất nhạy cảm Công nghệ vi bao này còn loại bỏ các chất tương kỵ và che giấu mùi vị khó chịu, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện sinh khả dụng của thuốc và giảm thiểu tác dụng phụ.

Vi bao là công nghệ cuốn các chất rắn, lỏng hoặc khí vào trong một chất nền hoặc lớp vỏ cao phân tử Vi hạt là dạng phân tử được sử dụng trong quá trình này.

2 tán dạng hạt hoặc dạng hạt rắn Hai hình thái vi mô chung của vi hạt có thể được phân biệt - vi nang và vi cầu

Bài viết mô tả các cấu trúc vi hạt khác nhau, bao gồm: (a) vi hạt đơn nhân, (b) vi hạt đa thành, (c) vi hạt đa nhân, (d) vi hạt ma trận, (e) lõi đa nhân được phủ, (f) hạt ma trận được phủ, (g) vi hạt hình cầu không đều, (h) vi nang hai ngăn, (i) colloidosome, (j) liposome khổng lồ, (k) vi hạt hình dạng không đều, (l) vi hạt hình xuyến, (m) vi hạt dạng viên đạn, (n) vi hạt dạng viên và (o) vi hạt hình khối.

1.1.2 Các đặc điểm quan trọng của vi hạt trong hệ thống phân phối thuốc Đặc điểm quan trọng nhất của vi hạt là kích thước siêu nhỏ của chúng cho phép tạo ra một diện tích bề mặt rất lớn, ví dụ tổng diện tích bề mặt của của các vi hạt cỡ 1 àm đó được bỏo cỏo là khoảng 60 m 2 /g Tổng diện tớch bề mặt tỷ lệ nghịch với đường kính Diện tích bề mặt lớn này có sẵn cho các vị trí hấp phụ và giải hấp phụ, phản ứng hóa học, tán xạ ánh sáng [5]

Hệ thống phân phối thuốc này chủ yếu cung cấp vật liệu được bao bọc, giúp tiếp cận khu vực hoạt động mà không bị ảnh hưởng xấu bởi môi trường xung quanh Vi hạt mang lại nhiều ưu điểm y sinh và dược phẩm đáng chú ý.

- Các dạng bào chế phóng thích kéo dài Vi hạt có thể được sử dụng để bào chế viên nén, viên nang hoặc dạng bào chế dùng đường tiêm

- Phân phối thuốc duy trì hoặc có kiểm soát [7]

Vi hạt là phương pháp hiệu quả để bào chế thuốc bao bọc trong ruột, giúp tăng cường khả năng hấp thu chọn lọc tại ruột thay vì dạ dày Nhiều loại thuốc đã được sử dụng vi hạt để giảm thiểu kích ứng dạ dày, mang lại lợi ích cho người sử dụng.

- Nó có thể được sử dụng để che giấu mùi và vị khó chịu của thuốc

Vi bao được sử dụng để bảo vệ thuốc khỏi các yếu tố môi trường như độ ẩm, ánh sáng, oxy và nhiệt Mặc dù không tạo ra một rào cản hoàn hảo, vi bao vẫn cung cấp mức độ bảo vệ đáng kể chống lại sự phân hủy do oxy, hơi ẩm và nhiệt.

Việc sử dụng vi bao giúp giảm thiểu độ bay hơi của các chất, cho phép chúng được bảo quản lâu hơn mà không bị mất mát đáng kể.

Vi bao nang đã được áp dụng để giảm thiểu nguy cơ tiềm ẩn trong việc xử lý các chất độc hại Việc xử lý thuốc xông hơi, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt côn trùng và thuốc trừ sâu đã trở nên an toàn hơn đáng kể nhờ vào sự sử dụng của vi bao nang.

- Các đặc tính hút ẩm của nhiều vật liệu lõi có thể bị giảm do vi hạt

- Giảm kích thước hạt để tăng cường khả năng hòa tan của thuốc kém hòa tan

- Giải phóng đúng mục tiêu của vật liệu được bao bọc [7]

- Sự bao gói tế bào sống [7]

- Sự chuyển đổi chất lỏng thành chất rắn chảy tự do [7]

- Tách các thành phần không tương thích [10, 14, 15] Ví dụ: Tá dược, chất đệm và các thuốc khác

- Cải thiện độ chảy của bột [7]

- Xử lý an toàn các chất độc hại [13]

- Hỗ trợ phân tán chất không tan trong nước trong môi trường nước [5,

- Phương pháp vi bao cũng đã được đề xuất để làm dụng cụ tránh thai trong tử cung [17, 18]

1.1.3 Các ứng dụng của vi hạt trong hệ thống phân phối thuốc

T ổng quan về alginate

Alginate (ALG) là một nhóm polysaccharide anion tự nhiên có nguồn gốc từ thành tế bào của tảo nâu như Macrocystis pyrifera, Laminaria hyperborea, và Ascophyllum nodosum, cũng như một số chủng vi khuẩn như Azotobacter và Pseudomonas Thuật ngữ này thường được sử dụng để chỉ axit alginic và các muối của nó, nhưng cũng có thể bao gồm tất cả các dẫn xuất của axit alginic ALG là chất tạo màng sinh học có cấu trúc mạch thẳng, được hình thành từ liên kết 1,4 β-.

D-mannuronic acid (M) và 1,4 α-L-guluronic acid (G) (hình 1.6), được sắp xếp như một khối theo dạng đồng nhất (poly-G, poly-M) hoặc không đồng nhất (MG)

[30, 31] Liên quan đến nguồn nguyên liệu ban đầu, ALG thương mại có thể khác nhau về thành phần và trình tự của khối G và M

Hình 1.6 Cấu trúc của alginate: monomer (a), cấu trúc chuỗi (b) và sự phân bố khối (c)

Quy trình chiết xuất ALG từ tảo biển bao gồm nhiều giai đoạn, bắt đầu bằng việc xử lý nguyên liệu thô khô bằng acid khoáng pha loãng Sau khi tinh chế, alginic acid thu được được chuyển thành muối sodium hòa tan trong nước với sự có mặt của sodium cacbonate, sau đó có thể chuyển hóa trở lại thành acid hoặc muối dự kiến Mặc dù ALG thương mại chủ yếu được sản xuất từ tảo, nhưng gần đây đã có nghiên cứu về việc sản xuất ALG bằng phương pháp lên men vi sinh vật để tạo ra sản phẩm với các đặc tính hóa lý xác định hơn.

Hình 1.7 Quy trình tách chiết sodium alginate từ tảo nâu

Sodium alginate là một trong những alginate (ALG) được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực dược phẩm và y sinh, và đã được đưa vào Dược điển Châu Âu cũng như Dược điển Hoa Kỳ Các yêu cầu dược điển hiện hành liên quan đến sodium alginate được quy định rõ ràng trong tài liệu chuyên khảo.

Bảng 2 Đặc tính sodium alginate được khuyến nghị bởi Dược điển Châu Âu (Eur Ph.)

Và Dược điển Hoa Kỳ (USP) [30]

Các loại ALG hiện nay có sự không đồng nhất về mặt lý hóa, ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng ứng dụng của chúng ALG có sẵn trên thị trường với nhiều loại khác nhau về khối lượng phân tử, thành phần và mô hình phân bố khối M và khối G, ảnh hưởng đến các đặc tính hóa lý như độ nhớt, chuyển tiếp sol/gel và khả năng hấp thụ nước Trọng lượng phân tử của ALG dao động từ 33,000 đến 400,000 g/mol, được biểu thị bằng giá trị trung bình của tất cả các phân tử trong mẫu Ngoài ra, khả năng tạo dung dịch nhớt của ALG còn phụ thuộc vào nồng độ, pH dung môi (pH tối đa khoảng 3,0-3,5), nhiệt độ và sự hiện diện của các ion hóa trị hai.

ALG có khả năng tạo ra các cấu trúc bán rắn hoặc rắn đa dạng trong điều kiện nhẹ nhờ vào khả năng chuyển tiếp sol/gel độc đáo Vì lý do này, ALG thường được ứng dụng làm chất tăng độ nhớt, chất làm đặc, và chất ổn định nhũ tương trong ngành thực phẩm và dược phẩm.

Quá trình gel hóa alginate (ALG) diễn ra khi có mặt các ion hóa trị hai, liên kết chéo các chuỗi polymer thông qua mô hình hộp trứng hoặc bằng cách giảm pH xuống dưới pKa của các monomer ALG, như d-glucono-δ-lactone Calcium chloride, nguồn ion Ca2+, thường được sử dụng nhưng có thể gây ra gel hóa nhanh chóng và khó kiểm soát Tốc độ gel hóa là yếu tố quan trọng để điều chỉnh quá trình này, trong đó gel hóa chậm giúp tạo ra cấu trúc gel đồng nhất với tính toàn vẹn cơ học cao.

Giảm tốc độ tạo gel của alginate (ALG) có thể đạt được bằng cách sử dụng chất đệm phosphate như sodium hexametaphosphate, do các nhóm phosphate cạnh tranh với ion calcium, làm chậm quá trình gel hóa Ngoài ra, calcium sulfate và calcium carbonate với độ hòa tan thấp cũng kéo dài thời gian gel hóa Tốc độ này còn phụ thuộc vào nhiệt độ, với khả năng phản ứng của Ca2+ giảm ở nhiệt độ thấp Kỹ thuật đông lạnh-rã đông gần đây đã được áp dụng để hình thành hydrogel ALG một cách có kiểm soát Đặc tính tạo gel liên quan chặt chẽ đến cấu trúc và tỷ lệ các khối M-, G- và MG của ALG Một số nghiên cứu cho thấy quá trình chuyển đổi sol/gel của ALG diễn ra trong điều kiện sinh lý, đặc biệt là khi có mặt của các ion hóa trị hai trong môi trường axit của dịch cơ thể Băng gạc chứa calcium alginate có khả năng trao đổi ion, thường được sử dụng để điều trị vết thương tiết dịch hoặc vết thương phẫu thuật bị nhiễm trùng Gel hòa tan có tính thấm hút cao giúp duy trì môi trường ẩm sinh lý và hỗ trợ quá trình chữa bệnh Với tính ổn định cơ học và đặc tính đàn hồi tốt, ALG cũng được ứng dụng trong tái tạo mô như răng, xương và sụn Khả năng gel hóa tại chỗ của ALG làm cho nó trở thành một công cụ hứa hẹn cho nhiều ứng dụng, bao gồm kỹ thuật mô và hệ thống phân phối thuốc tại chỗ Hơn nữa, do đặc tính tạo bọt, ALG cũng đã được nghiên cứu như một chất che mùi vị.

Hình 1.8 Mô hình “hộp trứng” của calcium alginate

Cấu trúc hydrogel ALG ba chiều có tính xốp cao và khả năng trương nở nhờ vào sự hiện diện của các nhóm chức ưa nước Khả năng hydrate hóa và tạo gel của ALG giúp kéo dài thời gian giải phóng hoạt chất tại vị trí sử dụng, làm cho polymer này trở thành đối tượng nghiên cứu phổ biến trong các hệ thống phân phối thuốc giải phóng kéo dài hoặc có kiểm soát.

Calcium alginate (ALG) là một công cụ lý tưởng cho việc bọc tế bào trong kỹ thuật mô và tái tạo mô nhờ vào các điều kiện đơn giản trong quá trình hình thành gel Hàng rào ALG không chỉ bảo vệ tế bào mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển và ứng dụng trong các lĩnh vực y sinh.

14 vật chất cố định có khả năng duy trì sự tồn tại trong thời gian nuôi cấy lâu dài và giúp tránh các phản ứng miễn dịch từ vật chủ.

Hệ thống vi phân tử ALG đang được phát triển để nghiên cứu các phương pháp vận chuyển thuốc điều trị nhiều bệnh lý, bao gồm ung thư, tiểu đường và bệnh Parkinson.

ALG có khả năng bám dính niêm mạc tốt nhờ vào các nhóm cacboxyl tự do, cho phép polymer tương tác với dịch nhầy qua liên kết hydro và liên kết tĩnh điện pH môi trường ảnh hưởng mạnh đến khả năng hòa tan của ALG, từ đó tác động đến đặc tính bám dính niêm mạc, vì chỉ các nhóm cacboxyl ion hóa mới có thể tương tác với mô niêm mạc ALG hòa tan tạo điều kiện cho dung môi thâm nhập qua nền polymer, dẫn đến hình thành cấu trúc gel liên kết và nhớt hơn, làm tăng cường các liên kết bám dính niêm mạc Tuy nhiên, nếu hydrate hóa quá mức, chất nền ALG trong dịch sinh lý có thể làm giảm khả năng bám dính niêm mạc do suy giảm các nhóm chức năng ALG có sẵn để tương tác với mô niêm mạc Với đặc tính bám dính niêm mạc vượt trội, ALG được xem là tá dược polymer lý tưởng cho việc bào chế các dạng thuốc đặt trong miệng.

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các ứng dụng dựa trên alginate (ALG) có khả năng bám dính tốt vào niêm mạc âm đạo, giúp tăng thời gian lưu trú của thuốc trên bề mặt niêm mạc mắt và kéo dài sự giải phóng hoạt chất từ hệ thống phân phối vi hạt Với diện tích bề mặt lớn, ALG tạo điều kiện cho sự tiếp xúc chặt chẽ giữa polymer và dịch nhầy, do đó, các dạng bào chế đa đơn vị với sodium alginate đã được nghiên cứu như một chất mang thuốc hỗ trợ dạ dày, đặc biệt cho những chất không ổn định hoặc dễ bị phân hủy trong môi trường pH kiềm.

ALG được công nhận là chất bổ trợ vaccine và chất đồng bổ trợ, nhờ vào khả năng cải thiện sinh khả dụng và tính sinh miễn dịch của kháng nguyên khi sử dụng qua đường mũi và đường uống.

1.2.2 Phân hủy sinh học alginate và hydrogel của nó

Alginate không bị phân hủy ở động vật có vú do thiếu enzym alginase, nhưng gel alginate có thể hòa tan khi giải phóng các ion hóa trị hai qua phản ứng với cation đơn hóa trị như ion sodium Dù gel có thể hòa tan, trọng lượng phân tử trung bình của nhiều loại alginate vẫn cao hơn ngưỡng thanh thải của thận, khiến chúng khó bị loại bỏ hoàn toàn khỏi cơ thể Một phương pháp tiềm năng để làm cho alginate phân hủy trong điều kiện sinh lý là oxy hóa một phần chuỗi alginate, cho phép alginate bị oxy hóa nhẹ có khả năng phân hủy.

T ổng quan về công nghệ vi lưu

Công nghệ vi lưu (microfluidic technology) là một lĩnh vực đa ngành kết hợp vật lý, hóa học, kỹ thuật và công nghệ sinh học, sử dụng các vi kênh có kích thước từ hàng chục đến hàng trăm micromet để điều khiển lượng chất lỏng nhỏ (10^-9 - 10^-18 L) Ban đầu, công nghệ này chủ yếu được áp dụng trong phân tích hóa học nhờ vào những ưu điểm như giảm thời gian phân tích, tiết kiệm hóa chất, kiểm soát điều kiện phản ứng tốt hơn, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất Với những lợi thế vượt trội, thiết bị vi lưu đã mang đến những chức năng độc đáo mà kỹ thuật truyền thống không thể thực hiện Trong hai thập kỷ qua, công nghệ vi lưu và kỹ thuật chế tạo vi mô đã có những bước tiến lớn, trở thành công cụ nghiên cứu đa năng trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật hóa học, công nghệ sinh học, dược phẩm và y học.

1.3.1 Lịch sử và thuật ngữ

Công nghệ vi lưu bắt nguồn từ sự phát triển của công nghệ phun mực và sắc ký khí thu nhỏ trên chip silicon, với bốn động lực chính: phân tích phân tử, phòng thủ sinh học, sinh học phân tử và vi điện tử Khái niệm hệ thống phân tích hóa học tổng thể (TAS) ra đời từ những năm 1980 nhằm đơn giản hóa quy trình phân tích Đến những năm 1990, thuật ngữ "hệ thống phân tích hóa học tổng thể thu nhỏ" (àTAS) được Manz và cộng sự giới thiệu để nhấn mạnh lợi ích của phiên bản vi mô Trong hai thập kỷ qua, nghiên cứu và phát triển àTAS đã bùng nổ, thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực khác nhau.

Các nguyên tắc cơ bản của àTAS đã được mở rộng sang nhiều ứng dụng khác ngoài hóa học phân tích, bao gồm hóa học cơ bản và khoa học sự sống Để đáp ứng sự phát triển này, các thuật ngữ mới như vi lưu (microfluidics) và lab-on-a-chip (LOC) đã được giới thiệu Thiết bị vi lưu thường được liên kết với thuật ngữ LOC để mô tả hệ thống thực hiện nhiệm vụ phân tích cụ thể, trong khi àTAS có thể là thiết bị vi lưu tích hợp hoặc kết hợp nhiều thiết bị vi lưu, cho phép tích hợp điện tử hoặc hỗ trợ bên ngoài nhằm thực hiện toàn bộ nhiệm vụ phân tích.

Hình 1.9 Dòng thời gian về sự phát triển của công nghệ vi lưu

Kể từ khi công nghệ vi lưu ra đời cách đây hai thập kỷ, sự quan tâm và phát triển các công cụ cho dòng chất lỏng ở quy mô vi mô ngày càng gia tăng Công nghệ điện tử đa ngành này kết hợp nhiều lĩnh vực, từ sinh học đến kỹ thuật điện, tạo ra nhiều ứng dụng đa dạng như phân phối thuốc, chip chẩn đoán tại điểm chăm sóc, và tổng hợp hữu cơ cũng như vi phản ứng.

Công nghệ vi lưu hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích trong phòng thí nghiệm, cho phép thực hiện các thí nghiệm với thể tích thuốc thử tối thiểu, giảm từ mililit xuống microlit, nanolit và femtolit Thời gian phản ứng cũng được rút ngắn đáng kể, chỉ còn vài giây hoặc ít hơn.

Hình 1.10 Lĩnh vực ứng dụng của công nghệ vi lưu

1.3.2 Tạo giọt bằng thiết bị vi lưu

Một phạm trù thuộc công nghệ vi lưu là tạo giọt dựa trên thiết bị vi lưu [99,

Hệ thống tạo giọt vi lưu cho phép thực hiện nhiều phản ứng mà không làm tăng kích thước hay độ phức tạp của thiết bị, với khả năng tạo ra các giọt đơn phân tán cao từ nanomet đến micromet, đạt tốc độ lên đến hai mươi nghìn giọt mỗi giây Nhờ vào tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, thời gian phản ứng được rút ngắn, và mỗi giọt có thể được kiểm soát độc lập, tạo điều kiện cho các vi phản ứng được vận chuyển, trộn và phân tích riêng lẻ Việc hình thành nhiều đơn vị phản ứng vi mô giống hệt nhau trong thời gian ngắn giúp dễ dàng xử lý và thử nghiệm song song, từ đó thu thập dữ liệu lớn một cách hiệu quả Bên cạnh đó, giọt chất lỏng siêu nhỏ còn mang lại tiềm năng tăng thông lượng và khả năng mở rộng vượt trội so với hệ thống dòng chảy liên tục Trong hai thập kỷ qua, nhiều nhóm nghiên cứu đã ứng dụng thiết bị vi lưu tạo giọt để sản xuất các hạt không đều, nhũ tương kép, vi nang rỗng và vi hạt siêu nhỏ.

Những hạt này có nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm tổng hợp phân tử sinh học, phân phối thuốc và thực hiện xét nghiệm chẩn đoán.

Hình 1.11 Sơ đồ minh họa các hình dạng kênh khác nhau bao gồm dòng chảy chéo, đồng dòng và tập trung dòng chảy

Sự hình thành giọt có thể áp dụng cho nhiều dạng hình học kênh thiết bị khác nhau như dòng chảy chéo, đồng dòng và tập trung dòng chảy Trong hình học dòng chảy chéo, pha phân tán được cắt theo hình chữ T với góc θ, cho phép sản xuất đơn nhũ tương với độ đơn phân tán cao và kích thước giọt thường lớn hơn 10 μm Hình học đồng dòng, với pha phân tán chèn vào kênh pha liên tục, tạo ra giọt với CV thấp và cũng có kích thước lớn hơn 10 μm Dạng tập trung dòng chảy, tương tự như đồng dòng nhưng có bộ tập trung, giúp tăng cường lực cắt nhớt, cho phép hình thành giọt nhỏ hơn vài trăm nanomet Nghiên cứu này lựa chọn thiết bị vi lưu dạng tập trung dòng chảy để tạo ra vi giọt phục vụ cho việc sản xuất vi hạt hydrogel.

Mô hình dòng chảy tập trung (FF) được giới thiệu bởi nhóm nghiên cứu của Anna và Dreyfus, bao gồm ba kênh đầu vào hội tụ thành một kênh chính qua lỗ hẹp Pha phân tán trong kênh giữa bị ép bởi dòng pha liên tục từ hai kênh bên, và cả hai giai đoạn đi qua lỗ nhỏ ở hạ lưu Dòng pha phân tán sau đó trở nên hẹp và vỡ thành các giọt, với kích thước giọt phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy của hai pha, tỷ lệ tốc độ dòng chảy, hình thái kênh và độ nhớt của hai pha Nhiều tham số có ảnh hưởng đến quá trình này.

Việc kiểm soát sự hình thành giọt trong các thiết bị dòng chảy tập trung (FFD) mang lại nhiều khả năng, tuy nhiên, khi thiếu các mô hình lý thuyết đầy đủ, mỗi sự kết hợp mới của mô hình, tốc độ và độ nhớt cần được nghiên cứu và điều chỉnh để đáp ứng các tiêu chí về kích thước giọt và tỷ lệ hình thành Gần đây, nhiều biến thể của mô hình FFD đã được phát triển nhằm cải thiện khả năng kiểm soát kích thước và phân bố kích thước của giọt.

Hình 1.12 Sự hình thành giọt trong thiết bị tập trung dòng chảy

1.3.3 Chế tạo thiết bị vi lưu

Việc chế tạo thiết bị vi lưu với hình học rõ ràng và khả năng tương thích vật liệu là rất quan trọng cho việc tạo ra vi giọt Các thiết bị vi lỏng đã được nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu về đặc tính vật liệu, khả năng tương thích với các chất lỏng, linh hoạt trong hình thái kênh, tự động hóa quy trình chế tạo và khả năng thương mại hóa quy mô lớn Thiết bị polydimethylsiloxane (PDMS) được chế tạo bằng in thạch bản cho phép sản xuất hàng loạt các thiết bị giống nhau, làm cho chúng trở nên hấp dẫn cho sản xuất quy mô lớn Trong nghiên cứu này, thiết bị PDMS đã được lựa chọn để sử dụng.

Các thiết bị PDMS được chế tạo bằng kỹ thuật in thạch bản mềm, cho phép sản xuất hàng loạt các thiết bị giống hệt nhau với độ phân giải micromet và thiết kế kênh linh hoạt hơn so với thiết bị mao dẫn PDMS cũng có đặc tính quang học trong suốt, tính trơ sinh học, khả năng thấm khí, và chi phí sản xuất thấp.

Kỹ thuật in thạch bản mềm là phương pháp phi ảnh quang khắc dùng để tái tạo mẫu, bao gồm hai bước chính: tạo mẫu nhanh và đúc bản sao Quá trình bắt đầu bằng việc thiết kế một thiết bị trong phần mềm CAD, sau đó in thiết kế này lên chất liệu trong suốt để tạo ra mặt nạ cản quang, từ đó hình thành bản chạm nổi trên tấm wafer silicon Bản chạm nổi, hay khuân mẫu, được sử dụng trong bước đúc chất đàn hồi tiếp theo Đúc bản sao là quá trình đúc tiền để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

Các polymer được phát triển dựa trên một vật liệu chính có khả năng tạo ra bản sao âm bản trên khuân mẫu Kỹ thuật in thạch bản mềm cho phép sản xuất các tấm đàn hồi với cấu trúc đúc vi mô Sau đó, các tấm vi mô đàn hồi này cần được liên kết với một vật liệu phẳng hoặc các tấm đúc vi mô khác để hình thành hệ thống vi lỏng.

Hình 1.13 Sơ đồ minh họa quy trình in thạch bản mềm liên quan đến hai bước: tạo mẫu nhanh (a) - (d) và đúc bản sao (e) - (g) [161].

Gi ới thiệu về thuốc vorinostat

Vorinostat, hay còn gọi là hydroxamic suberoylanilide acid (SAHA), là một chất ức chế sinh học có khả năng sử dụng qua đường uống đối với các HDAC loại I và II Hợp chất này có cấu trúc hydroxamic acid mạch thẳng với công thức hóa học C14H20N2O3 và khối lượng phân tử 264,32 g/mol Với pKa khoảng 9, vorinostat ít tan trong nước nhưng tan trong các dung môi hữu cơ như ethanol, isopropanol, dimethyl sulfoxit (DMSO) và dimethylformamide (DMF).

Hình 1.14 Mô tả cấu trúc hóa học của vorinostat

Vorinostat là một chất ức chế histone deacetylase (HDAC) thuộc nhóm hydroxymate, cùng với các loại thuốc khác như Givinostat, Abexinostat, Panobinostat, Belinostat và Trichostatin A Nhóm thuốc này có tiềm năng chống ung thư và được phát triển với nhận thức rằng ngoài đột biến gen, sự thay đổi enzyme cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển bệnh.

HDAC ảnh hưởng đến sự biểu hiện kiểu hình và kiểu gen trong tế bào, dẫn đến rối loạn cân bằng nội môi và tăng trưởng khối u Chất ức chế HDAC có tác dụng đặc hiệu in vivo và in vitro, như kìm hãm sự phát triển, ảnh hưởng đến sự biệt hóa tế bào và gây chết tế bào ác tính Những loại thuốc này có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp với các thuốc chống ung thư khác.

Vorinostat là một loại thuốc mới hiệu quả trong điều trị ung thư hạch tế bào T ở da, đặc biệt khi bệnh tái phát hoặc trở nên nghiêm trọng sau các phương pháp điều trị khác Thuốc này được dung nạp tốt và đã được công nhận như một lựa chọn điều trị mới cho tình trạng này Hiện tại, vai trò của vorinostat trong việc điều trị các loại ung thư khác cũng đang được nghiên cứu, cả trong liệu pháp đơn trị và liệu pháp kết hợp.

Vorinostat là thuốc được FDA phê duyệt để điều trị CTCL, đồng thời nghiên cứu cho thấy nó có khả năng ức chế sự phát triển của khối u qua đường uống và tiêm trong nhiều loại ung thư như ung thư tuyến tiền liệt, bệnh bạch cầu, ung thư vú, u thần kinh đệm và ung thư phổi.

Vorinostat là một chất ức chế HDAC mạnh mẽ, tác động lên cả enzym HDAC loại I và II, nhưng không ảnh hưởng đến nhóm III Nghiên cứu tinh thể học cho thấy vorinostat liên kết với nguyên tử kẽm tại vị trí xúc tác của enzym HDAC, với vòng phenyl của nó nhô ra khỏi vùng xúc tác Sự liên kết này dẫn đến việc tích tụ các protein bị acetyl hóa, bao gồm histone, và gây ra nhiều tác động tế bào, ảnh hưởng đến cả quá trình phiên mã và không phiên mã.

Hình 1.15 Cấu trúc của SAHA (vorinostat) liên kết với một protein giống HDAC [131]

Tác động tới phiên mã:

Các tác động phiên mã có thể xảy ra do sự liên kết trực tiếp của HDAC với vorinostat hoặc gián tiếp thông qua việc tác động lên các yếu tố phiên mã như E2F-1, YY-1, Smad 7, p53, Bcl-6 và GATA-1 Điều này dẫn đến sự thay đổi trong biểu hiện của một số gen nhất định Cụ thể, quá trình acetyl hóa có thể kích hoạt phiên mã Bcl-6, làm tăng khả năng ức chế phiên mã của nó.

Vorinostat có tác dụng phiên mã gián tiếp bằng cách acetyl hóa dư lượng lysine của alpha tubulin và sốc nhiệt protein -90, dẫn đến giảm hoạt động của các protein cơ chất hỗ trợ sinh trưởng và sinh tồn trong các tế bào bệnh bạch cầu ở người, như Bcr-Abl, FLT-3 đột biến, c-raf và AKT.

Tác động tới các quá trình không phiên mã:

Các tác dụng không phiên mã của vorinostat có thể được chia thành:

- Đình chỉ chu kỳ tế bào:

Vorinostat điều chỉnh chất ức chế kinase phụ thuộc cyclin p21 và đối kháng với phức hợp cyclin/CDK, dẫn đến đình chỉ chu kỳ tế bào G1 trong các dòng tế bào ác tính Đồng thời, vorinostat làm giảm hoạt động kinase phụ thuộc cyclin bằng cách điều chỉnh giảm cyclin, gây ra sự dephosphoryl hóa Rb và ảnh hưởng gián tiếp đến hoạt động phiên mã E2F.

- Sự chết tế bào (apotosis):

Vorinostat kích thích quá trình chết tế bào trong các khối u ác tính huyết học và khối u rắn thông qua cơ chế phiên mã và phiên mã độc lập, góp phần quan trọng vào điều trị ung thư.

Việc ức chế HDAC làm thay đổi sự cân bằng giữa các tiền thân protein và protein chống lại sự gây chết tế bào, ảnh hưởng đến quá trình gây chết tế bào Hơn nữa, vorinostat có khả năng phục hồi các phối tử TRAIL trong các tế bào ác tính kháng, góp phần vào quá trình tiêu diệt tế bào khối u.

Vorinostat điều chỉnh các protein hỗ trợ sự tồn tại như Bcl-1 và Bcl-2, dẫn đến thiếu hụt yếu tố tăng trưởng và tổn thương DNA Điều này ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của màng ty thể, từ đó điều chỉnh các pro-apoptotic protein như Bim, Bak và Bax, giúp duy trì cân bằng nội mô Hơn nữa, hyperacetyl hóa trong các tế bào ác tính còn thúc đẩy sự ổn định của p53, một yếu tố quan trọng trong các dòng CTCL.

- Ức chế hình thành mạch

Vorinostat hoạt động gián tiếp trong điều kiện thiếu oxy bằng cách ngăn chặn yếu tố cảm ứng thiếu oxy (HIF-1 alpha) và yếu tố tăng trưởng nội mô mạch máu (VEGF), từ đó ức chế sự hình thành mạch Đồng thời, nó cũng điều chỉnh giảm tác nhân ức chế miễn dịch interleukin, nhóm protein tự nhiên có vai trò trung gian trong việc truyền thông tin giữa các tế bào.

Vorinostat điều chỉnh interleukin 10 (IL-10), một interleukin ức chế miễn dịch và làm tăng IL-2 và IL-4 RNA, đồng thời vorinostat hoạt động như một chất ức chế STAT 3 [150]

Vorinostat có khả năng gây độc chọn lọc cho các tế bào khối u, mặc dù cơ chế chính xác của tính chọn lọc này vẫn chưa được hiểu rõ Nghiên cứu cho thấy thioredoxin trong tế bào bình thường có thể bảo vệ chúng khỏi tổn thương Thêm vào đó, HR23B đã được xác định là một dấu ấn sinh học cho sự nhạy cảm của tế bào CTCL đối với vorinostat.

Vorinostat được sử dụng đường uống với liều từ 200-600 mg, cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ huyết tương và liều lượng Thời gian bán thải t1/2 của thuốc khoảng 60 đến 100 phút Sự hấp thu và sinh khả dụng của vorinostat không bị ảnh hưởng đáng kể bởi thức ăn, tuy nhiên, dùng thuốc cùng với thức ăn có thể giảm thiểu một số tác dụng phụ trên dạ dày và ruột Vorinostat được chuyển hóa và bài tiết thông qua quá trình glucoronide hóa do enzyme uridine diphosphate glucoronosyl transferase (UGT) Đặc biệt, tính đa hình trong gene mã hóa enzyme UGT1A1 có thể là yếu tố dự đoán quan trọng về mức độ phản ứng và độc tính của vorinostat ở từng bệnh nhân.

M ục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn

Thông qua việc tổng hợp tài liệu tham khảo và khảo sát nhu cầu thực tế, mục tiêu và nội dung của luận văn thạc sĩ này đã được xác định rõ ràng.

1 Ứng dụng thiết bị vi lưu trong chế tạo vi hạt alginate, nghiên cứu sự ảnh hưởng của các quá trình tạo giọt, hóa rắn với các thông số như: tốc độ dòng chảy, nồng độ chất hóa rắn, quá trình khuấy khi hóa rắn, độ nhớt dung dịch tới quá trình tạo hạt

2 Nghiên cứu quá trình đưa thuốc điều trị ung thư (vorinostat) vào trong vi hạt alginate, chứng minh sự tồn tại của thuốc, nghiên cứu đánh giá hình thái của vi hạt khi mang thuốc

3 Đánh giá khả năng bao bọc thuốc vorinostat của vi hạt alginate

THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU