Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Tổng hợp hydrogel chitosan-β-glycerophosphate định hướng nạp diclofenac sodium và cao trầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM HƯNG THỊNH

TỔNG HỢP HYDROGEL GLYCEROPHOSPHATE ĐỊNH HƯỚNG NẠP

CHITOSAN-β-DICLOFENAC SODIUM VÀ CAO TRẦU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa Học Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG TP HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hà Cẩm Anh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Bạch Long Giang

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Đỗ Tường Hạ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Lê Thị Hồng Nhan - Chủ tịch hội đồng

2 TS Nguyễn Thanh Tùng - Thư ký hội đồng 3 PGS TS Bạch Long Giang - Ủy viên Phản biện 1

4 TS Đỗ Tường Hạ - Ủy viên Phản biện 2

5 TS Huỳnh Khánh Duy - Ủy viên hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : PHẠM HƯNG THỊNH MSHV: 2070662 Ngày, tháng, năm sinh: 26/11/1998 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa Học Mã số: 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP HYDROGEL CHITOSAN−−GLYCEROPHOSPHATE ĐỊNH HƯỚNG NẠP DICLOFENAC SODIUM VÀ CAO TRẦU (SYNTHESIS OF CHITOSAN--GLYCEROPHOSPHATE HYDROGELS FOR LOADING

DICLOFENAC SODIUM AND Piper betle L EXTRACT)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

-Tổng hợp hydrogel chitosan-β-glycerophosphate dưới các điều kiện tổng hợp khác nhau: khối lượng phân tử chitosan, nồng độ chitosan và nồng độ chất liên kết ngang Khảo sát khả năng chuyển pha sol-gel của hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate thu được (trước và sau khi nạp hoạt chất)

-Nạp thuốc Diclofenac sodium và cao trầu vào hydrogel CS-β-GP theo phương

pháp in situ khi thay đổi các yếu tố nồng độ dung dịch hoạt chất nạp vào, thành

phần CS và β-GP có trong hydrogel

-Khảo sát tốc độ giải phóng DS, cao trầu và flavonoid theo thời gian từ hydrogel CS-β-GP khi thay đổi nhiệt độ môi trường giải phóng

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/12/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hà Cẩm Anh

Tp HCM, ngày 3 tháng 1 năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt là Bộ môn Hóa hữu cơ đã hỗ trợ thiết bị trong khoảng thời gian cho nghiên cứu này Để có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời sâu sắc đến toàn thể thầy cô đã tận tình dạy dỗ tôi trong suốt thời gian theo học và làm luận văn tại trường Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

TS Hà Cẩm Anh, cảm ơn cô đã luôn hướng dẫn tận tình trong suốt thời gian qua Cô không chỉ tận tâm truyền đạt kiến thức và hỗ trợ trong quá trình làm thí nghiệm mà còn động viên tinh thần cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình tôi thực hiện luận văn này

ThS Đỗ Nguyễn Hoàng Nga đã chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức, hỗ trợ phương pháp nghiên cứu, nguyên liệu và các phương pháp đo đạc trong suốt luận văn này

Ba mẹ và mọi người trong gia đình luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc, giúp tôi có thêm nghị lực vượt qua khó khăn trong suốt quãng thời gian học tập Luôn ủng hộ về cả vật chất và tinh thần cho mỗi quyết định của cuộc đời con

Em Lê Huỳnh Thanh Hiền đã cùng anh vượt qua suốt mùa luận văn này, cùng nhau trải qua những ngày làm từ sáng đến tối, cùng nhau tạo ra những kỉ niệm không thể nào quên tại phòng lab 401B2 và trong suốt khoảng thời gian từ lúc gặp em đến nay Em Diệp Trường Vũ đã giúp đỡ, tạo cơ hội và chịu đựng trong suốt mùa luận văn và bên cạnh anh những lúc về quê

Em Nguyễn Thị Thanh Thúy và Võ Trung Hiếu đã hỗ trợ trong lúc thực hiện thí nghiệm này Các em cùng làm thí nghiệm luận văn với tôi tại phòng 401B2 đã chia sẻ và hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Các thầy cô khoa Kỹ thuật Hóa học nói chung và bộ môn Kỹ thuật Hữu cơ nói riêng đã truyền đạt kiến thức chuyên ngành Đây là nền tảng vững chắc để tôi hoàn thành luận văn cũng là hành trang kiến thức cho nghề nghiệp của tôi sau này

Mặc dù tôi đã cố gắng rất nhiều để hoàn thiện luận văn nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý giá của thầy cô và các bạn Tôi xin chân thành cảm ơn

Xin kính chúc quý thầy cô và các bạn lời chúc tốt đẹp nhất

Người thực hiện luận văn

PHẠM HƯNG THỊNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công hydrogel chitosan-β-glycerophosphate, đồng thời đã khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp lên cấu trúc, và khả năng chuyển pha sol-gel của sản phẩm thu được Cấu trúc hydrogel được đánh giá thông qua phổ FT-IR và kính hiển vi điện tử quét (SEM) Các hình ảnh cho thấy hydrogel có cấu trúc xốp với nhiều lỗ rỗng, tuy nhiên cấu trúc này không đồng nhất với các lỗ rỗng phân bố không đồng đều Kích thước lỗ rỗng giảm dần 55.62; 44.04 và 28.71 m khi hàm lượng -glycerophosphate (-GP) tăng từ 3 đến 5% Thời gian cũng như nhiệt độ chuyển pha sol-gel phụ thuộc vào vào tỉ lệ giữa Chitosan (CS) và -GP, nhìn chung các hydrogel với nồng độ CS hoặc -GP cao hơn sẽ có thời gian tạo gel nhanh hơn và nhiệt độ chuyển pha thấp hơn Các hoạt chất diclofenac sodium (DS) và cao trầu đã được nạp thành công vào hydrogel thông qua

phương pháp in situ và có khả năng gel hóa ở nhiệt độ 37 °C Các yếu tố ảnh hưởng

đến khả năng giải phóng hoạt chất trong dung dịch đệm phosphate pH 7.4 từ hydrogel như nồng độ thuốc nạp vào ban đầu, nồng độ -GP trong hydrogel và nhiệt độ môi trường giải phóng cũng được khảo sát Khi tăng nhiệt độ môi trường giải phóng từ 37 °C (nhiệt độ cơ thể người) lên 39 °C (nhiệt độ nóng sốt) thì tốc độ giải phóng DS tăng 8% và flavonoid trong cao trầu tăng 6% Nhưng khi tăng nồng độ -GP trong hydrogel thì tốc độ giải phóng DS giảm do tăng mật độ liên kết ngang trong hydrogel Lượng hoạt chất giải phóng đạt tối đa sau 7 ngày cho thấy hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate phù hợp trong ứng dụng tiêm tại chỗ để giải phóng có kiểm soát thuốc

ABSTRACT

In this work, thermo-sensitive chitosan--glycerophosphate hydrogel was synthesized The effects of reaction conditions on structure, and sol-gel phase transition ability of hydrogels were studied The structure of the hydrogel was characterized by FT-IR spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM) Results have shown that the hydrogel has a porous structure with many pores The pore size decreased gradually from 55.62; 44.04 to 28.71 m as the -GP concentration increased from 3% to 5% Times and temperatures of sol-gel phase transition depend on the ratio of CS and -GP Hydrogels with high concentrations of CS or -GP have lower temperatures gelation and faster gelation Diclofenac

sodium and piper betle extract were successfully loaded into the hydrogel through

in situ method and were able to form gel at 37 °C Effects of several factors such as

initial active compounds loading concentration, -GP concentration in the hydrogel, and the temperature of the release medium (phosphate buffer pH 7.4) were also

investigated to determine the release ability The results show that when increasing

the initial active compounds loading concentration and the release environment temperature from 37 °C (normal human body temperature) to 39 °C (fever temperature), the release rate of DS and flavonoid increased by 8% and 6%, respectively In contrast, by increasing the concentration of -GP in the hydrogel, the compound’s release rate decreased due to the increase in crosslinking density in the hydrogel The maximum amount of drug released was reached after 7 days Therefore, chitosan-β-glycerophosphate hydrogel is considired as promising for

injectable in situ gel-forming controlled drug delivery systems

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “Tổng hợp hydrogel chitosan-β-glycerophosphate định hướng nạp diclofenac sodium và cao trầu ” là một công trình nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn TS Hà Cẩm Anh Đề tài, nội dung luận văn thạc sĩ là sản phẩm mà tôi đã nỗ lực trong quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa- ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra nếu như có vấn đề xảy ra

TP Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 01 năm 2023

1.1.1 Khái niệm về dẫn truyền thuốc 2

1.1.2 Những ưu điểm và những mặt hạn chế của hệ dẫn truyền 3

1.1.3 Một số hệ dẫn truyền thuốc tiêu biểu 4

1.1.4 Phương pháp dẫn truyền thuốc của chất mang 7

1.2 Tổng quan về hydrogel 9

1.2.1 Khái quát về hydrogel 9

1.2.2 Phân loại hydrogel 10

1.2.3 Cross-linking trong hydrogel 11

1.2.4 Hydrogel tiêm ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc 16

1.3 Nạp và giải phóng thuốc 17

1.3.1 Nạp thuốc vào hệ hydrogel 17

1.3.2 Tương tác giữa hoạt chất và hydrogel 18

1.3.3 Cơ chế giải phóng hoạt chất ra khỏi hệ hydrogel 19

1.4 Tổng quan về hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 21

1.4.1 Khái quát về chitosan 21

1.4.2 Hydrogel có nguồn gốc từ chitosan 23

1.4.3 β-glycerophosphate và cơ chế của quá trình sol-gel 24

1.4.4 Ứng dụng hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 26

1.5 Lá trầu và hoạt chất flavonoid 27

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 29

2.1 Mục tiêu, đối tượng và nội dung nghiên cứu 29

2.1.1 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 29

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 29

chitosan-β-2.3.5 Lập đường chuẩn của Diclofenac Sodium 35

2.3.6 Lập đường chuẩn cao trầu 36

2.3.7 Phương pháp đo độ ẩm 37

2.3.8 Định lượng hàm lượng flavonoid theo phương pháp aluminum chloride

- AlCl3 và lập đường chuẩn flavonoid 38

2.3.9 Nạp hoạt chất vào hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 41

2.3.10 Khảo sát tốc độ, tỷ lệ giải phóng hoạt chất từ hydrogel CS-β-GP 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43

chitosan-β-3.3 Nạp hoạt chất vào hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 52

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 53

3.3.2 Khảo sát quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel glycerophosphate đã nạp hoạt chất theo nhiệt độ 54

chitosan-β-3.4 Giải phóng hoạt chất ra khỏi hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 56

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 56

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến tốc độ giải phóng hoạt chất từ hydrogel 59

3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ β-GP trong hydrogel đến tốc độ giải

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của liposome [18] 5

Hình 1.2 Cấu trúc của Nanogel [23] 6

Hình 1.3 Cơ chế dẫn truyền thụ động [31] 8

Hình 1.4 Cơ chế dẫn truyền chủ động 9

Hình 1.5 Phân loại hydrogel [47] 11

Hình 1.6 Các loại cross-linking trong hydrogel [49] 12

Hình 1.7 Cơ chế gel hóa thông qua quá trình proton hóa và khử proton thông qua sự thay đổi pH [50] 13

Hình 1.8 Cơ chế gel hóa do tương tác kỵ nước khi chịu kích thích của nhiệt độ [53] 14

Hình 1.9 Cơ chế hình thành cross-linking thông qua phản ứng polymer hóa dưới tác nhân ánh sáng của nhóm vinyl [50] 15

Hình 1.10 Cơ chế phản ứng enzyme cross-linking với horseradish peroxidase và hydro peroxide làm hệ xúc tác [57] 15

Hình 1.11 Phương pháp loading hoạt chất vào hydrogel [65] 17

Hình 1.12 Tương tác tĩnh điện giữa thuốc và hydrogel [55] 18

Hình 1.13 Tương tác kỵ nước giữa thuốc và hydrogel [55] 19

Hình 1.14 Tương tác cộng hóa trị giữa thuốc và hydrogel [59] 19

Hình 1.15 Các phương pháp giải phóng thuốc ra khỏi mạng hydrogel [59] 20

Hình 1.16 Phản ứng Deacetyl hóa Chitin để hình thành nên Chitosan [76] 22

Hình 1.17 Công thức cấu tạo của β-glycerophosphate 24

Hình 1.18 Cơ chế tạo gel nhạy nhiệt của Chitosan khi có sự góp mặt của glycerophosphate [85] 25

β-Hình 1.19 Lá trầu (Piper betle L.) 27

Hình 2.4 Đường chuẩn của diclofenac sodium tại bước sóng 277 nm 36

Hình 2.5 Đường chuẩn của cao trầu tại bước sóng 416 nm 37

Hình 2.6 Quy trình định lượng flavonoid bằng phương pháp AlCl3 39

Hình 2.7 Đường chuẩn của Quercetine tại bước sóng 425 nm 40

Hình 2.8 Quy trình nạp DS và Trầu vào hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 41

Hình 3.1 Phổ hồng ngoại FT-IR của hydrogel chitosan-β-glycerophosphate thu được sau khi tổng hợp a) và của bài báo tham khảo b) [99] 44

Hình 3.2 Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu hydrogel β-glycerophosphate 1%CSH – a) 3% β-GP, b) 4% β-GP và c) 5% β-GP 45

chitosan-Hình 3.3 Hydrogel ở dạng sol ở nhiệt độ phòng 25 °C và ở dạng gel ở nhiệt độ cơ thể 37 °C 48

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel glycerophosphate khi tổng hợp với Chitosan (high) nồng độ khác nhau 49

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel glycerophosphate của Jaepyoung Cho và cộng sự [105] 51

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel glycerophosphate khi tổng hợp với Chitosan (High) và Chitosan (Medium) 52

β-Hình 3.7 β-Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của các mẫu hydrogel β-glycerophosphate (1% CSH – 4% β-GP) trước và sau khi nạp hoạt chất 53

chitosan-Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel glycerophosphate đã nạp hoạt chất a) Diclofenac Sodium; b) Cao trầu 54

chitosan-β-Hình 3.9 Hydrogel chitosan-β-glycerophosphate ở dạng gel sau khi đã load hoạt chất DS (trái) và cao trầu (phải) 55

Hình 3.10 Hệ hydrogel chitosan-β-glycerophosphate sau khi giải phóng hoạt chất 57 Hình 3.11 Đồ thị thể hiện tốc độ giải phóng hoạt chất a) DS; b) Flavonoid trong cao trầu từ hydrogel CSH-β-GP khi thay đổi nồng độ dung dịch thuốc dùng trong quá trình nạp 58

Hình 3.12 Đồ thị thể hiện tốc độ giải phóng DS từ hydrogel PECE khi thay đổi nồng độ dung dịch thuốc dùng trong quá trình nạp [106] 59

Hình 3.13 Đồ thị thể hiện tốc độ giải phóng hoạt chất a) DS; b) Flavonoid trong cao trầu từ hydrogel CS-β-GP ở 37 oC và 39 oC 60 Hình 3.14 Đồ thị thể hiện tốc độ giải phóng hoạt chất a) DS; b) Cao trầu và c) Flavonoid từ hydrogel CS-β-GP khi thay đổi nồng độ β-GP trong hydrogel 62 Hình 3.15 Đồ thị thể hiện tốc độ giải phóng DS từ hydrogel Chitosan-epichlorohydrin 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng 30 Bảng 2.2 Thành phần chitosan và -glycerophosphate trong mẫu hydrogel được lựa chọn khảo sát 35 Bảng 3.1 Đường kính lỗ trung bình của các mẫu hydrogel chitosan-β-

glycerophosphate 45 Bảng 3.2 Thông số thành phần và khả năng chuyển pha sol-gel của hydrogel

chitosan-β-glycerophosphate a) CSH và b) CSM ở nhiệt độ 37 °C và 39 °C 46

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

9 FT-IR Fourier-transform infrared spectroscopy

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự tiến bộ đáng kể trong việc phát triển hệ dẫn truyền thuốc nhằm mục tiêu đưa hoạt chất đến đúng “điểm đích” tại cơ quan hay tế bào trong cơ thể đã đem lại những thuận lợi trong việc chữa bệnh so với những phương pháp truyền thống Hydrogel là một trong những hệ dẫn truyền được nhiều nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu, do vật liệu này có thể cải thiện được tính ổn định về mặt nhiệt độ và hóa học, tính tan trong nước, sự đào thải nhanh chóng bởi hệ miễn dịch, từ đó giúp tăng tính dung nạp và sinh khả dụng, đồng thời làm giảm tác dụng phụ của thuốc

Ngày nay, protein và peptide là lĩnh vực tiềm năng cho việc điều trị các bệnh khác nhau Tuy nhiên, các chất này khi phân bố vào hệ tuần hoàn máu sẽ tương tác với albumin, globulin, và các đại thực bào dẫn đến sự chuyển hóa, giảm hoạt tính của dược chất, đồng thời sự phân bố và tích lũy ở các mô ngoài “điểm đích” gây ra độc tính cho tế bào lành Do đó, cần có sự phát triển của một số hệ thống phân phối phù hợp, có khả năng kéo dài quá trình giải phóng thuốc, ổn định nồng độ và trạng thái của thuốc Hydrogel (HG) có mạng lưới polymer không hòa tan trong nước và giữ được hình dạng ổn định có thể là chất mang phù hợp cho các phân tử sinh học phục vụ cho quá trình trên

Trên cơ sở đó nghiên cứu sẽ thực hiện tạo ra một hệ hydrogel glycerophosphate có khả năng mang thuốc, với khả năng đáp ứng với kích thích của nhiệt độ môi trường bên ngoài và thực hiện quá trình gel hóa tại chỗ để giải phóng thuốc Đồng thời trong nghiên cứu này cũng khảo sát khả năng phóng thích thuốc của hệ hydrogel thu được, từ đó có thể mở rộng hiểu biết về tiềm năng của hydrogel và áp dụng trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc

chitosan-β-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Dẫn truyền thuốc

1.1.1 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

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] Onpattro (patisiran) được phát triển bởi Công ty dược phẩm Alnylam dưới dạng hạt nano lipid dẫn truyền thuốc, trở thành loại thuốc RNAi (RNA interference) đầu tiên được FDA chấp thuận vào năm 2018 [11] 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]

1.1.2 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

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]

1.1.3 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]

Hình 1.1Cấu 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

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

Hình 1.2 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.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

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]

1.1.4 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 Với kích thước này, các phân tử thuốc được chọn lọc đi qua, trong khi đó những phân tử chất mang có kích thước 10 - 200 nm sẽ được giữ lại ở phía ngoài [30]

Hình 1.3 Cơ chế dẫn truyền thụ động [31]

Một đặc tính quan trọng của các mô ung thư trong cơ thể là giá trị pH khoảng 6.6 thể hiện tính acid cao hơn các tế bào bình thường Do đó, có thể thiết kế những chất mang thuốc chỉ giải phóng thuốc ở pH của tế bào bệnh và không gây ảnh hưởng lên tế bào lành [32, 33] Các hệ dẫn truyền nhạy nhiệt có thể giải phóng thuốc ở một giá trị nhiệt độ xác định, cụ thể là nhiệt độ của khối u do nó có nhiệt độ cao hơn những cơ quan khác Sự chênh lệch nhiệt độ này mang lại khả năng chọn lọc và giảm thiểu tác động của thuốc lên các cơ quan khác [34]

Để tăng cường hiệu quả các hệ dẫn truyền phải nhỏ hơn 400 nm Ngoài ra, để giảm tải cho thận và gan, kích thước của hệ dẫn truyền cần phải lớn hơn 10 nm và nhỏ hơn 100 nm Điện tích của các hạt phải ở dạng trung tính hoặc anions để tránh sự loại bỏ thận hiệu quả Bên cạnh đó phải “thoát” được sự nhận diện của hệ thống nội mô, nó có thể phân hủy mọi vật chất lạ thông qua opsonization sau đó là quá trình thực bào [35]

Các chất mang có diện tích bề mặt càng lớn thì có khả năng cho phép nhiều ligand gắn trên bề mặt của chúng Những hệ dẫn truyền thuốc chủ động cho phép nó liên kết trực tiếp bên trong tế bào bệnh và giúp tăng hiệu quả điều trị [37]

Hình 1.4 Cơ chế dẫn truyền chủ động

Ngoài việc gắn các phần tử nhận biết, dẫn truyền chủ động còn có thể được thực hiện bằng các hệ dẫn truyền nhạy cảm với kích thích Những polymer có khả năng thay đổi cấu trúc và tính chất khi tiếp xúc với những thay đổi nhỏ trong môi trường có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực này Những kích thích này xuất hiện ở tế bào bệnh mà không có ở tế bào thường, do đó giúp cho việc “nhắm đích” được thực hiện [38]

1.2 Tổng quan về hydrogel 1.2.1 Khái quát về hydrogel

Theo định nghĩa, hydrogel là mạng lưới polymer có cấu hình ba chiều có khả năng trương nở trong nước nhưng vẫn giữ được cấu trúc ổn định, được hình thành từ các chuỗi polymer ưa nước Nhờ vào cấu trúc ưa nước này cho phép hydrogel có thể hấp thu một lượng lớn nước hoặc hoạt chất [39, 40] Hydrogel có thể được chế tạo ở nhiều dạng khác nhau như dạng tấm, hạt nano, dạng phim,… nên thường được sử dụng trong các lĩnh vực y sinh, cảm biến sinh học, loại bỏ các thành phần độc hại

Hydrogel là vật liệu có khả năng chuyển pha giữa hai trạng thái “sol-gel” nhờ vào các lực liên kết như ion, liên kết hydro hoặc kỵ nước đóng vai trò chính Mức độ hydrat hóa và điện tích của mỗi hydrogel là khác nhau tùy thuộc vào các nhóm chức có trong nó (-OH, -CONH- , -CONH2- , …) [42] Các liên kết chéo giữa các mạch polymer là yếu tố giúp cho hydrogel không bị tan trong nước [43] Lượng nước được hấp thụ bên trong hydrogel cho phép sự khuếch tán tự do của một số phân tử chất tan, trong khi mạng polymer đóng vai trò như một chất nền để giữ nước và ổn định cấu trúc của hydrogel [44]

Các tính chất vật lý đặc trưng của hydrogel giúp chúng được sử dụng rộng rãi trong dẫn truyền thuốc Cấu trúc có độ xốp cao của chúng có thể dễ dàng được điều chỉnh bằng cách kiểm soát mật độ của các liên kết chéo trong ma trận gel và ái lực của hydrogel đối với môi trường nước khi chúng trương nở Độ xốp của chúng cũng cho phép nạp thuốc và giải phóng thuốc với tốc độ phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của phần tử thuốc qua mạng gel [43]

Bên cạnh những ưu điểm trên thì hydrogel cũng có một số hạn chế như số loại thuốc có thể được nạp vào, thời gian phân hủy và tính độc hại của nó Do đó cần phải phát triển và nghiên cứu thêm để đưa vào ứng dụng trong y học Nhiều dược phẩm có chứa hoạt chất tự nhiên đã được nghiên cứu kết hợp với các polymer sinh học mang lại hiệu quả cao trong việc điều trị [45]

1.2.2 Phân loại hydrogel

Việc phân loại hydrogel (Hình 1.4) phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như

tính chất vật lý của chúng, bản chất của liên kết trong phân tử, phương pháp điều chế, điện tích ion, khả năng đáp ứng kích thích và khả năng phân hủy sinh học [43, 46]

Hình 1.5 Phân loại hydrogel [47] 1.2.3 Cross-linking trong hydrogel

Cross-linking là những liên kết chéo có bản chất vật lý hay hóa học, làm cho hydrogel có cấu trúc mạng 3D và ổn định ma trận gel (trương nở trong nước nhưng vẫn giữ được cấu trúc không gian ba chiều) Tính chất của polymer như khối lượng phân tử, độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và chịu dung môi phụ thuộc vào các cross-linking có trong nó [43]

Số lượng cross-linking có vai trò quyết định tới khả năng co dãn của polymer, càng nhiều liên kết thì polymer càng trở nên kém linh động Ngoài ra độ hòa tan cũng bị ảnh hưởng bởi các liên kết này, việc hình thành các liên kết cộng hóa trị

Hydrogel

Bản chất liên kết

-Liên kết bằng trùng

hợp -Liên kết bằng phản ứng hóa học

-Liên kết bằng tương

tác ion

Phương pháp điều chế -Polymer đồng phân -Copolymer

-Polymer mạng xen kẽ

và bán xen kẽ

Điện tích có trong hệ

-Không mang điện

-Điện tích âm hay

dương -Amphoteric

-Zwitterionic

Đáp ứng kích thích

-Nhạy cảm nhiệt độ -Nhạy cảm

pH

-Nhạy cảm ánh sáng

Khả năng phân hủy sinh học

-Có thể phân hủy -Không thể

phân hủy

mạnh làm cho polymer không bị hòa tan trong dung môi nhưng có thể hấp thụ dung môi để tạo thành gel [48]

Hình 1.6 Các loại cross-linking trong hydrogel [49]

Hydrogel có thể được phân loại dựa trên bản chất cross-linking, bao gồm hydrogel liên kết vật lý và hydrogel liên kết hóa học Các hydrogel liên kết vật lý thường có tính chất cơ học kém không đáp ứng được các yêu cầu đòi hỏi độ bền nhưng có khả năng gel hóa nhanh tại chỗ khi được tác nhân kích thích Trái lại, hydrogel hóa học có độ bền cơ học cao hơn nhưng tốc độ gel hóa chậm và có khả năng gây độc Do đó việc kết hợp khả năng gel hóa nhanh của hydrogel vật lý và độ bền của hydrogel hóa học đã và đang được nghiên cứu giúp cung cấp hoạt chất tốt hơn [50]

a) Các hydrogel cross-linking vật lý

Ngày nay, các nhà khoa học chủ yếu tập trung vào hydrogel cross-linking vật lý Vật liệu này có thể đạt được trạng thái gel bằng cách thay đổi các lực liên phân tử như liên kết hydro, tương tác kỵ nước, lực ion tĩnh điện,… Những thay đổi này có thể xảy ra do sự sắp xếp bên trong của các polymer hoặc có thể được gây ra bởi các kích thích bên ngoài như nhiệt độ, pH, điện trường, áp suất, ánh sáng,… Các liên kết này là liên kết vật lý nên quá trình tạo gel của hydrogel có thể đảo ngược [46, 51]

Do quá trình tổng hợp khác nhau, cho nên mỗi loại hydrogel vật lý có các đặc tính riêng về độ bền cơ học, thời gian tạo gel và khả năng phân hủy… Ưu điểm của hydrogel loại này là tránh được những chất liên kết ngang hay xúc tác (có thể gây độc) để tạo cross-linking còn sót lại so với hydrogel liên kết hóa học, từ đó cung cấp phương pháp đơn giản và an toàn để hình thành nên hydrogel tiêm tại vị trí mong muốn khi có tác động của tác nhân bên ngoài thích hợp [46, 50]

Hình 1.7 Cơ chế gel hóa thông qua quá trình proton hóa và khử proton thông qua

sự thay đổi pH [50]

Hydrogel nhạy pH đang được nghiên cứu và phát triển, pH là một thông số môi trường quan trọng có thể được sử dụng cho hệ dẫn truyền vì mỗi vị trí trong cơ thể có một giá trị pH khác nhau Từ đó giúp đưa các hoạt chất sinh học đến các vị trí khác nhau trong cơ thể, chẳng hạn như dạ dày, ruột, khối u gan, mạch máu và âm đạo Quá trình chuyển pha chủ yếu xảy ra thông qua quá trình proton hóa và khử proton của các nhóm ion xung quanh giá trị pKa Ưu điểm của hydrogel loại này là có thêm các nhóm ion để tương tác với các phân tử sinh học phức tạp [52]

Hình 1.8 Cơ chế gel hóa do tương tác kỵ nước khi chịu kích thích của nhiệt độ [53]

Hydrogel nhạy nhiệt có thể thay đổi độ hòa tan của toàn bộ mạng polymer bằng các thay đổi nhiệt độ của môi trường ngoài, từ đó gây ra sự c/huyển pha “sol-gel-sol” Thông thường, cấu trúc của hydrogel nhạy cảm với nhiệt độ thường chứa các thành phần kỵ nước và ưa nước Sự thay đổi cân bằng ưa nước-kỵ nước và các nhóm nhạy cảm với nhiệt độ cụ thể có trong hydrogel quyết định tính chất của hệ dẫn truyền [54]

Bằng cách thay đổi tỉ lệ giữa các đoạn ưa nước và kỵ nước, có thể thay đổi nhiệt độ chuyển pha của hydrogel nhạy nhiệt Ưu điểm của hydrogel nhạy nhiệt là tốc độ gel hóa nhanh và đơn giản do đó được sử dụng rộng rãi trong việc dẫn truyền thuốc [55]

b) Các hydrogel cross-linking hóa học

Hydrogel cross-linking hóa học có thể thay đổi từ trạng thái “sol” sang trạng thái “gel” bằng cách hình thành liên kết cộng hóa trị trong mạng lưới polymer thông qua các phản ứng hóa học Những hydrogel này thường được ứng dụng trong việc cấy, kết hợp để tạo xương, và hiện nay đang được nghiên cứu chủ yếu với những hydrogel hình thành tại chỗ ứng dụng che vết thương hở [51]

Sự hình thành cross-linking được thực hiện bằng cách bổ sung các chất liên kết chéo dưới dạng phân tử nhỏ, liên hợp polymer-polymer, tác nhân cảm quang hoặc bằng phản ứng xúc tác của enzyme, phản ứng Michael, phản ứng Schiff’s base… Chất liên kết chéo là các phân tử có ít nhất hai nhóm chức phản ứng cho phép hình thành cầu nối giữa các chuỗi polymer Nhược điểm của phương pháp sử

dụng phân tử liên kết ngang nhỏ là độc tính tiềm tàng của các tác nhân liên kết chéo chưa phản ứng còn sót lại [50, 51]

Polymer hóa dưới tác nhân ánh sáng là phương pháp hình thành cross-linking bằng cách sử dụng ánh sáng và chất xúc tác Khi tiếp xúc với nguồn chiếu xạ như tia cực tím hoặc ánh sáng khả kiến, các phần tử nhạy sáng có trong polymer bị phân hủy hình thành gốc tự do và xúc tác cho phản ứng trùng hợp Phương pháp này cho phép kiểm soát mạng hydrogel, hơn nữa tốc độ gel hóa cũng có thể được kiểm soát tùy theo mục đích sử dụng Ưu điểm của phương pháp này là yêu cầu năng lượng thấp, không cần dung môi, phản ứng nhanh và điều kiện đơn giản [56]

Hình 1.9 Cơ chế hình thành cross-linking thông qua phản ứng polymer hóa dưới tác

nhân ánh sáng của nhóm vinyl [50]

Hình 1.10 Cơ chế phản ứng enzyme cross-linking với horseradish peroxidase và

hydro peroxide làm hệ xúc tác [57]

Enzymatic reaction là một phương pháp khác để tạo cross-linking, phản ứng xảy ra nhờ vào sự hiện diện của enzyme Horseradish peroxidase, transglutaminase, tyrosinase, phosphopantetheinyl transferase và lysyl oxyase thường được sử dụng làm chất xúc tác trong việc hình thành hydrogel Ưu điểm của phương pháp này là tính thân thiện với tế bào và tính đặc hiệu của enzyme đối với cơ chất do đó có thể ngăn ngừa độc tính do phản ứng phụ [58]

1.2.4 Hydrogel tiêm ứng dụng trong việc dẫn truyền thuốc

Hydrogel với những ưu điểm như tính tương thích sinh học cao, các tính chất vật lý và cơ học có thể điều chỉnh cùng với khả năng nang hóa thuốc giúp hạn chế những nhược điểm về dược động học để tăng sinh khả dụng và giảm độc tố của thuốc từ đó giải phóng thuốc một cách lâu dài và tăng hiệu quả điều trị bệnh [59]

Tuy nhiên việc cấy hydrogel vào cơ thể tại một vị trí mong muốn có nhiều bất tiện: một số trường hợp yêu cầu phẫu thuật gây đau đớn cho bệnh nhân, khó khăn trong việc cấy ghép, chi phí và nhiều bất tiện khiến cho việc ứng dụng vào lâm sàng còn nhiều hạn chế Ngoài ra các hệ mang thuốc khác như liposome, nanosphere, microparticle là hệ phân tán gồm các vi hạt dẫn đến khó khăn trong việc sử dụng qua đường tiêm [60]

Hydrogel dạng tiêm tại chỗ ứng dụng trong lĩnh vực dẫn truyền thuốc có thể giải quyết được những vấn đề liên quan đến độ tan kém của một số loại hoạt chất, giảm lượng thuốc tích lũy trong hệ tuần hoàn và ở các mô không cần thiết, đồng thời đưa hoạt chất trực tiếp đến điểm tác động với lượng ổn định giúp giảm độc tính và tăng hiệu quả điều trị [61]

Một số hoạt chất có thời gian phân hủy ngắn, nhờ được bao bọc trong hydrogel nên có thể kéo dài thời gian tồn tại và giải phóng thuốc lên vài ngày hoặc vài tháng Các hydrogel này thường ở dạng lỏng nhưng khi được tiêm vào sẽ chuyển thành dạng gel trong môi trường cơ thể tạo thành cấu trúc ma trận giúp lưu trữ và giải phóng dược chất ở một vị trí cụ thể [62] Ngoài ra, mạng liên kết chéo

của hydrogel còn có tác dụng ngăn hoạt chất bị phân hủy sinh học nhờ vào việc ngăn sự tiếp xúc của chúng với các enzyme của cơ thể [63]

Các polymer thành phần và các sản phẩm chuyển hóa của hydrogel phải có khả năng tương thích sinh học, không gây độc và được đào thải ra khỏi cơ thể Tốc độ giải phóng thuốc có thể được điều chỉnh thông qua thay đổi tính chất hydrogel [64]

1.3 Nạp và giải phóng thuốc 1.3.1 Nạp thuốc vào hệ hydrogel

Có nhiều phương pháp nạp thuốc vào trong hydrogel Việc lựa chọn phương pháp chủ yếu phụ thuộc vào loại thuốc, bản chất của hydrogel, tương tác giữa thuốc và hydrogel và nơi mà thuốc sẽ được phân phối Nhìn chung, thuốc có thể được cố

định vào hydrogel theo hai cách: post loading và in situ loading [65]

Phương pháp post-loading gồm hai bước: đầu tiên là hình thành hydrogel và

sau đó đưa thuốc vào trong mạng lưới polymers Quá trình này được thực hiện bằng cách cho hydrogel trương nở trong dung dịch thuốc cho đến khi đạt trạng thái cân bằng, thuốc có thể được giữ ổn định trong hệ nhờ vào tác nhân vật lý hoặc hóa học Mặt khác, hệ thuốc-hydrogel này có thể được nạp vào hệ thống dẫn truyền thứ cấp khác để tạo môi trường thích hợp cho việc giải phóng thuốc có nhắm mục tiêu [66]

Hình 1.11 Phương pháp loading hoạt chất vào hydrogel [65]

Phương pháp in situ loading thích hợp với hydrogel ở dạng tiêm đáp ứng với

các kích thích của cơ thể để thực hiện quá trình gel hóa, điển hình là hydrogel tiêm nhạy nhiệt Quá trình này thông qua các giai đoạn: tiền gel hóa (polymers và hoạt chất được phân tán đều trong dung dịch), gel hóa tại chỗ (hình thành cross-linking dưới kích thích của nhiệt độ, pH, ánh sáng…), giải phóng hoạt chất và sự phân hủy hydrogel trong cơ thể [67]

1.3.2 Tương tác giữa hoạt chất và hydrogel

Tương tác giữa hoạt chất và hydrogel được tạo thành có thể là liên kết vật lý hoặc hóa học tùy thuộc vào bản chất và loại của chúng Những tương tác này có vai trò trong việc ổn định hệ dẫn truyền và ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng thuốc [55] Tương tác tĩnh điện thường được dùng nhằm tăng độ bền liên kết giữa thuốc và hydrogel, giúp kiểm soát tốc độ giải phóng thuốc khỏi mạng hydrogel Thuốc sẽ được giải phóng khi hydrogel bị phân hủy hoặc có sự xuất hiện của các ion trong môi trường [59]

Hình 1.12 Tương tác tĩnh điện giữa thuốc và hydrogel [55]

Tính ưa nước của hydrogel gây khó khăn cho việc mang và giải phóng các loại thuốc kỵ nước Tuy nhiên, việc thêm các thành phần kỵ nước có thể làm giảm đáng kể lượng nước có trong hydrogel, từ đó làm thay đổi các tính chất của vật liệu sinh học này Cyclodextrin có vị trí để liên kết với thuốc kỵ nước, đồng thời không làm thay đổi tính ưa nước tổng thể của hydrogel Do đó, một số nghiên cứu đã thêm cyclodextrin và đã đạt được hiệu quả nhất định [68]

Hình 1.13 Tương tác kỵ nước giữa thuốc và hydrogel [55]

Ngoài ra, thuốc và hydrogel cũng có thể được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị Tốc độ giải phóng thuốc trong trường hợp này được kiểm soát thông qua tốc độ phân cắt hóa học hoặc enzyme phân hủy [69]

Hình 1.14 Tương tác cộng hóa trị giữa thuốc và hydrogel [59] 1.3.3 Cơ chế giải phóng hoạt chất ra khỏi hệ hydrogel

Hydrogel là một mạng lưới polymer gồm các mắt lưới được tạo thành từ các liên kết chéo; các mắt lưới này cho phép khuếch tán chất lỏng và chất tan có kích thước nhỏ từ đó giúp kiểm soát quá trình giải phóng thuốc ra khỏi hệ dẫn truyền Kích thước mắt lưới được khảo sát thường nằm trong khoảng từ 5 đến 100 nm [70]

Một trong những cơ chế phổ biến nhất để mô tả quá trình giải phóng hoạt chất ra khỏi hệ hydrogel là cơ chế khuếch tán Trong quá trình này các phân tử thuốc sẽ di chuyển từ trong hydrogel qua các mắt lưới và đến môi trường giải phóng Tốc độ giải phóng thuốc phụ thuộc vào nồng độ thuốc, kích thước mắt lưới và các hiện tượng bên trong hydrogel (khuếch tán bên trong) [70]

Kích thước phân tử của hoạt chất và kích thước lưới quyết định tốc độ giải phóng thuốc và được dự đoán bằng thống số r lưới / r thuốc Một số loại thuốc có kích thước nhỏ hơn kích thước mắt lưới (rlưới / rthuốc >1) sẽ khuếch tán nhanh chóng

qua hydrogel, dẫn đến thời gian giải phóng ngắn Khi kích thước của thuốc gần với kích thước mắt lưới (rlưới / rthuốc ≈ 1), quá trình giải phóng thuốc bị chậm lại đáng kể Khi thuốc lớn hơn kích thước mắt lưới (rlưới / rthuốc <1), thuốc sẽ bị giữ lại bên trong mạng lưới Để giải phóng thuốc trong trường hợp này, cần đến sự phân hủy hoặc trương nở của mạng hydrogel, hoặc bằng cách áp dụng sự biến dạng để phá vỡ mạng lưới [59]

Hình 1.15 Các phương pháp giải phóng thuốc ra khỏi mạng hydrogel [59]

Cách tiếp theo để giải phóng thuốc là sự trương nở có kiểm soát của hệ hydrogel Một số loại hydrogel nhạy với các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, pH, nồng độ glucose, điện trường…[71] Khi gặp điều kiện thích hợp, các hydrogel này sẽ trương nở làm tăng kích thước lỗ lưới của hydrogel, từ đó giải phóng thuốc ra môi trường bên ngoài Tuy nhiên, phương pháp này bị hạn chế bởi kích thước của hydrogel do sự khuếch tán chậm của nước, nếu khối hydrogel có kích thước lớn hơn 1mm cần đến hàng chục phút để trương nở và giải phóng thuốc Do đó, để đạt được đáp ứng nhanh hơn, có thể giảm kích thước của các khối hydrogel hoặc thay đổi cấu

trúc của hydrogel bằng cách tạo lớp bề mặt có khả năng trương nở nhanh chóng để kiểm soát quá trình khuếch tán thuốc [72]

Ngoài ra, một trong những phương pháp để giải phóng thuốc là phân hủy cấu trúc mạng của hydrogel, điều này làm tăng kích thước lưới từ bên trong và thuốc được khuếch tán ra môi trường Sự phân hủy này có thể xảy ra ở các mạch polymer hoặc các liên kết chéo thông qua sự thủy phân hoặc hoạt động của enzyme [73] Đối với nhiều loại hydrogel, việc phân hủy mạng polymer có thể được điều khiển để đạt được hiệu quả giải phóng thuốc trong vài tuần đến vài tháng Bên cạnh đó, các sản phẩm phân hủy phải không độc và có khối lượng phân tử đủ nhỏ để được đào thải ra khỏi cơ thể thông qua các quá trình sinh lý [59, 74]

1.4 Tổng quan về hydrogel chitosan-β-glycerophosphate 1.4.1 Khái quát về chitosan

Phân tử chitosan là copolymer của hai đơn vị D-glucosamine và glucosamine Chitosan [ (1→4) 2-amino-2-deoxy--D-glucan] trong công nghiệp được tạo ra từ phản ứng deacetyl hóa chitin (>60%) Đây là thành phần cấu trúc nên vỏ của động vật giáp xác và côn trùng và là chất liệu cấu tạo màng sinh học tự nhiên phổ biến thứ hai sau cellulose, có cấu trúc tinh thể cứng chắc do tương tác hydro giữa các nhóm acetamide và hydroxyl [75] Chính vì cấu trúc cứng này cùng với nhược điểm hòa tan kém trong nước, cũng như do có nhiều nhóm acetyl mà chitin khó được áp dụng Sau khi deacetyl hóa một phần chitin để chuyển thành chitosan thì số lượng nhóm amine và khả năng hòa tan trong nước tăng lên [76]

N-acetyl-D-Một trong những đặc tính của chitosan là khả năng thay đổi điện tích ở môi trường pH khác nhau, tích điện dương ở pH thấp và không tích điện ở pH trung tính hoặc cao, do đó chitosan có khả năng thay đổi độ tan và tạo thành gel [77]

Hình 1.16 Phản ứng Deacetyl hóa Chitin để hình thành nên Chitosan [76]

Với pKa 6.2-7 của nhóm D-glucosamine có mặt trong phân tử thì chitosan là một base yếu, trở nên kém hòa tan trong môi trường trung tính hoặc kiềm Các amine béo của chitosan có thể bị proton hóa trong điều kiện acid, với bản chất là cation, chitosan tan được trong nước sau khi hình thành các muối carboxylate (formate, acetate, lactate, citrate,…) [78] Do có sự hiện diện của nitơ trong cấu trúc phân tử, và khả năng proton hóa, chitosan có thể tạo được phức chất polyelectrolyte, điều mà các polysaccharide thông thường khác chưa làm được, đồng thời các cation chitosan có thể tạo thành gel khi tương tác với các anions mang điện tích âm [79]

Khi ở dạng dung dịch, chitosan có khả năng tạo liên kết hydro nhờ vào gốc amine và hydroxyl trong phân tử, những liên kết này góp phần tạo nên độ nhớt cho dung dịch chitosan Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ, khi nồng độ chitosan tăng và nhiệt độ giảm thì độ nhớt sẽ tăng, độ nhớt của chitosan quyết định độ ổn định của hydrogel và tiềm năng ứng dụng của nó [78]

Bên cạnh đó, với khả năng phân hủy sinh học (thông qua enzyme, các quá trình thực bào,…) cùng với đặc tính tương thích sinh học, ít độc với cơ thể và khả

năng kháng khuẩn giúp chitosan là một trong những lựa chọn hàng đầu trong các lĩnh vực y sinh (băng dính vết thương, xương,…) hay dẫn truyền thuốc (hydrogel, hạt nano,…) [76] Trong cơ thể người, chitosan có thể được phân hủy bởi một số enzyme sinh lý như lysozyme, di-N-acetylchitobiase, N-acetyl-beta-d glucosaminidase, chitiotriosidase,… và quá trình phân hủy sinh học này giải phóng các oligosaccharides không gây độc [80]

1.4.2 Hydrogel có nguồn gốc từ chitosan

Bên cạnh các hydrogel được tổng hợp từ các polymer tổng hợp như: PEG; PVA; PAA; PMA;… có độ bền cơ học, tính chất hóa lý và khả năng tương thích khác nhau [81] Các polymer tự nhiên, như polysaccharide và protein, cũng đã được sử dụng làm vật liệu để tạo thành hydrogel và có tiềm năng lớn trong các ứng dụng y sinh với vai trò là chất mang, giải phóng thuốc Chitosan là một polysaccharide với những ưu điểm như dễ tổng hợp, tương thích sinh học với cơ thể, có khả năng phân hủy sinh học dễ dàng đã thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu và ngày càng được mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực hydrogel [82]

Lực liên kết giữa các chuỗi polysaccharide trong phân tử chitosan là tương tác hydro, kỵ nước và ion Những tương tác này bị ảnh hưởng bởi trọng lượng phân tử và cường độ ion Do đó, để cải thiện các đặc tính của chitosan như độ ổn định và độ bền nhằm ứng dụng trong dẫn truyền thuốc mà cụ thể là hydrogel chitosan thì việc tạo thêm các liên kết ngang là điều cần thiết và đang được nghiên cứu [76]

Hydrogel chitosan có thể được tổng hợp thông qua phương pháp liên kết ngang cộng hóa trị hoặc ion với việc bổ sung các chất liên kết ngang khác nhau Các hydrogel được tạo thành dựa trên liên kết ngang cộng hóa trị có cấu trúc mạng ổn định và lâu dài, không thuận nghịch khi liên kết đã được hình thành Tuy nhiên, các chất liên kết ngang cộng hóa trị như glutaraldehyde thường độc đối với sinh vật cũng như việc hình thành liên kết ngang cộng hóa trị làm cho hydrogel khó phân hủy Do đó, các chất liên kết ngang vật lý (những phân tử mang điện tích) đã được nghiên cứu để tạo thành các liên kết thuận nghịch trong hydrogel và tăng khả năng tương thích sinh học [83] Chitosan là một cationic polyelectrolyte polymer với các