Luận văn thạc sĩ Công nghệ vật liệu: Nghiên cứu tổng hợp Cationic Hydrogel nhạy pH

Phương pháp sử dụng nano particle thông minh nhạy cảm với nhiệt độ và pH hiện được các nhà nghiên cứu trên thế giới nhận định là phương pháp phân phối thuốc một cách tự nhiên và có triển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VIỆT DŨNG

NG N T NG T N DR G N Ạ N ỆT Đ TR N T N G G ε -

CAPROL T N ε - CL) , OLIGOME GLYCINE

Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp

ẬN VĂN T Ạ Ĩ

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA C NG HÒA XÃ H I CHỦ NG Ĩ V ỆT NAM

- Tổng hợp polyme hydrogel PCL-PEG-PCL nhạy cảm nhiệt độ - Khảo sát tổng hợp oligome glycine nhạy cảm pH

- Tổng hợp polyme hydrogel nhạy cảm pH và nhiệt độ trên cơ sở PCL-PEG-PCL và oligome glycine đã tổng hợp

- Đánh giá và điều khiển trọng lượng phân tử để điều khiển giản đồ chuyển pha sol-gel

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày ký quyết định giao đề tài): IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN B ƯỚNG DẪN : TS HUỲNH ĐẠI PHÚ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲN ĐẠI PHÚ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2012

i

LỜI CẢM N Đầu tiên, tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy TS

Huỳnh Đại Phú, thầy là người đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện để tôi có

thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này và còn thường xuyên chỉ bảo, định hướng cho tôi trong cuộc sống

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Công Nghệ Vật Liệu trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt những năm học vừa qua

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến các anh chị em tại PTN trọng điểm Quốc Gia Polyme và Compozit đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh và các bạn học cùng lớp đã nhiệt tình giúp đỡ tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình đến cha mẹ, và các anh chị em đã luôn là chỗ dựa tinh thần động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trên con đường học tập trong suốt thời gian qua

Cuối cùng tôi xin được cảm ơn đến thạc sĩ Nguyễn Việt Dũng trường đại học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM là người bạn đã chia sẽ, giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong quá trình học tập vừa qua

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, Ngày 12 tháng 12 năm 2011

Người viết

Nguyễn Việt Dũng

1.2 Phân loại polyme hydrogel 1

1.2.1 Phân loại theo nguồn nguyên liệu 1

1.2.1.1 Hydrogel polyme thiên nhiên và dẫn suất của chúng 1

1.2.1.2 Hydrogel polyme tổng hợp 1

1.2.1.3 Vật liệu tổ hợp của các polyme thiên nhiên và polyme tổng hợp 2

1.2.2 Phân loại theo cơ chế hấp thụ nước 2

ii

a Phân phối thuốc theo cơ chế khuếch tán 10

Phân phối thuốc theo cơ chế trương nở 11

c Phân phối thuốc theo cơ chế ăn mòn h a học 11

2.2 Polyme hydrogel thông minh IHP nhạy nhiệt độ 12

2.2.1 Các IHP nhạy nhiệt độ theo cơ chế LCST 13

2.2.2 IHP nhạy nhiệt độ theo hiệu ứng cân bằng trong phân tử lưỡng tính (Polymers based on Amphiphillic Balance) 14

2.3 Sự trương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạy nhiệt độ 15

2.3.1 Polyme hydrogel thông minh (IHP) nhạy pH 15

2.3.2 Oligomer nhạy pH dùng trong hệ thống phân phối thuốc bằng phương pháp “tiêm” Injecta le pH-sensitive Polymer) 18

2.3.3 Sự trương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạy pH 19

2.4 Polyme hydrogel nhạy pH và nhiệt độ 20

2.4.1 Ưu điểm của polyme hydrogel nhạy pH và nhiệt độ 20

2.4.2 Cơ chế chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy pH và nhiệt độ 21

2.5 Một số ứng dụng làm vật liệu chuyển tải phân phối thuốc của polyme hydrogel thông minh 24

2.6 Yêu cầu của một hydrogel có khả năng ứng dụng trong y sinh……… 27

hương 3: Á Ư NG Á T NG H P POLYME 3.1 Giới thiệu 31

3.1.1 Số nhóm chức trung bình 32

3.1.2 Chiều hướng phản ứng của các hợp chất đa chức 33

3.2 Các phương pháp tổng hợp polyamit 35

3.2.1 Phương pháp trùng ngưng n ng chảy 35

3.2.2 Phương pháp trùng ngưng dung dịch 36

ii

3.3.1 Lacton este vòng ……… 42

3.3.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến polyme hóa mở vòng lacton………42

hương 4: NG N U THỰC NGHIỆM 4.1 Mục tiêu của thí nghiệm 45

4.2 Hóa chất và thiết bị thí nghiệm 45

4.3.3.1 Phương trình tổng hợp dự đoán 59

5.1.2 Kết quả khảo sát chuyển pha sol gel của triblock PCL-PEG-PCL 64

5.2 Thí nghiệm 2 : “Tổng hợp oligome Glycine OG nhạy pH bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch” 65

5.2.1 Kết quả phân tích GPC, xác định khoảng nhạy pH và pKb của oligome glycine (OG) 65

5.2.1.1 Phân tích GPC 65

5.2.1.2 Xác định pKb và đo hả năng nhạy pH 65

5.2.1.3 Kết quả tổng hợp oligome glycine theo thời gian và nhiệt độ khác nh au 5.2.2 Kết quả phân tích 1H-NMR 72

5.3 Thí nghiệm 3: “Tổng hợp copolyme penta loc nhạy pH/nhiệt độ OG-PCL-PEG- PCL-OG trên cơ sở 2 polyme đã tổng hợp ở trên” 77

iii

LỜI M ĐẦU

Trong những năm gần đây sự phát triển của các căn ệnh hiểm nghèo như AIDS, ung thư, viêm gan, đặc biệt là bệnh đái tháo đường đang trở thành một mối nguy hiểm đối với sức khỏe loài người Và chúng đã trở thành một mối lo ngại vô cùng lớn của các tổ chức y tế thế giới Việc kiểm soát quá trình phân phối thuốc/protein để điều trị những căn ệnh nghiêm trọng trên là một trong những thử thách trong lĩnh vực y dược Hiện có nhiều loại dược phẩm (thuốc /protein) chứng tỏ được khả năng chữa bệnh tốt, tuy nhiên các phương pháp sử dụng dược phẩm truyền thống như uống, tiêm, xạ trị, hóa trị thể hiện sự giới hạn nhất định trong quá trình sử dụng Tuy nhiên, các phương pháp sử dụng dược phẩm truyền thống để điều trị các loại bệnh này có những nhược điểm lớn như: sự tập trung đột ngột của thuốc/protein tại một điểm, lúc đ thuốc/protein trở thành chất độc hại cho cơ thể bởi vì sự tập trung đ làm cho liều lượng thuốc/protein tại đ cao hơn ình thường; Vì dược phẩm được dẫn truyền theo đường máu, chỉ khi gặp tế bào mầm bệnh ung thư thì mới thể hiện chức năng chữa trị, nhưng trong uá trình vận chuyển dược phầm này cón tác dụng lên tất cả các tế bào khác mà nó gặp Do đ chỉ có một lượng nhỏ dược phẩm có tác dụng hữu hiệu cho việc điều trị, còn phần lớn dược phẩm lại tạo ra các phản ứng phụ khác trong uá trình điều trị Thêm vào đ , sự suy giảm hình thức (profile) của thuốc/protein đến dưới khoảng liều dùng trong uá trình điều trị đòi hỏi một liều thuốc/protein mới Phương pháp sử dụng nano particle thông minh nhạy cảm với nhiệt độ và pH hiện được các nhà nghiên cứu trên thế giới nhận định là phương pháp phân phối thuốc một cách tự nhiên và có triển vọng nhất bởi vì nó cho phép phân phối các phần tử hoạt động của thuốc một cách đầy đủ và hiệu quả vì nó mang những ưu điểm nổi trội sau:

HIV Sử dụng polyme phân hủy sinh học thông minh có thể mang và phân phối dược phẩm vào cơ thể con người theo những chương trình được vạch sẵn Như vậy, nồng độ dược phẩm trong máu và thời gian tác dụng của thuốc có thể điều khiển một cách dễ dàng nhằm tránh hiện tượng cục bộ nhất thời hàm lượng dược phẩm trong máu cao nhất thời gây tác dụng phụ) và có thể kéo dài thời gian điều trị cho một lần sử dụng thuốc So sánh về hiệu năng sử dụng để điều trị của phương pháp mới này so với các phương pháp truyền thống được thể hiện trên hình 1

iii Hình 1: Hình thức kiểm soát thuốc/protein;

 Đường đứt khúc: Hình thức nhả thuốc/protein theo phương pháp truyền thống – phải sử dụng lặp lại nhiều lần

 Đường liền nét : Hình thức nhả thuốc liên tục từ hydrogel phân hủy sinh học – Chỉ sử dụng một lần

- Một trong những đặc điểm ưu việt của việc sử dụng nano particle thông minh nhạy cảm với nhiệt độ và pH trong việc chữa các loại bệnh hiểm nghèo này là: các hạt nano thông minh này (có chứa được phẩm trong nhân của nó) sẽ lưu thông hắp nơi trong cơ thể dựa vào hệ tuần hoàn, nó chỉ giải ph ng dược phẩm ra khỏi nhân khi gặp được tế bào mầm bệnh đặc biệt là bệnh ung thư dựa vào đặc điểm thông minh nhạy cảm với nhiệt độ và pH của mình Hình 2 Như vậy, dược phẩm chỉ có tác dụng trực tiếp lên tế bào mầm bệnh mà hông c tác dụng phụ lên các tế ào hác Các nhà nghiên cứu cũng đã tập trung tổng hợp copolyme nhạy nhiệt để phân phối thuốc như poly(ethylene oxide)-b-poly(L-lactide-co-glycolide) P O-P LLA/GA hoặc poly ethylene glycol -poly L-lactide -poly ethylene glycol P G-PLLA-P G … Tuy nhiên những polyme hydrogel nhạy nhiệt độ c một số hạn chế như: chúng chuyển sang trạng thái gel hi vào cơ thể 3 oC nên gây h hăn cho việc tiêm vào cơ thể; hi tiêm vào cơ thể các hydrogel c huynh hướng giảm cấp tạo thành các monome c hả năng làm giảm hả năng tải thuốc và nhả thuốc 1

Ngoài ra việc nghiên cứu còn mang lại những hiệu uả tích cực:

Ngưỡng hàm lượng dược phẩm trong máu có thể gây tác dụng phụ tạ thành độc tố

Ngưỡng hàm lượng dược phẩm trong máu có tác dụng điều trị

Ngưỡng hàm lượng dược phẩm trong máu không có tác dụng điều trị

iii - Tạo một ước đột phá mới cho ngành vật liệu polyme, mở ra hướng mới với việc ứng dụng polyme sinh học vào lãnh vực dược phẩm, y tế

- Đáp ứng nhu cầu bức thiết cấp bách của việc tìm ra phương pháp chữa bệnh mới nhằm mang lại hiệu quả tác dụng của dược phẩm, hạn chết tối đa các tác dụng phụ mà dược phẩm mang lại trong uá trình điều trị

- Góp phần cho sự phát triển của ngành dược phẩm nước nhà, tránh bị phụ thuộc quá nhiều vào các tập đoàn dược phẩm nước ngoài trong một số loại được phẩm đặc hiệu - Giải quyết ài toán giá dược phẩm đặc hiệu nhập ngoại uá cao, gây h hăn cho người việt nam trong tình trạng kinh tế hạn hẹp khi phải điều trị những căn ệnh hiểm nghèo Vì vậy, đây là đề tài há cấp thiết và c tính ứng dụng cao

Hình 2: Cơ chế tác dụng tại đích của nano particle thông minh trong việc chữa bệnh ung thư

iii

MỤC TIÊU NGHIÊN C U CỦ ĐỀ TÀI

1 Tổng hợp triblock copolyme hydrogel nhạy cảm nhiệt độ trên cơ sở polyetylen glycol P G , ε-caprolactone ε-CL) bằng phản ứng polyme hóa mở vòng ε-caprolactone

2 Khảo sát tổng hợp oligome glycine nhạy cảm pH bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch

3 Tổng hợp pentablock coplyme hydrogel nhạy cảm pH/nhiệt độ trên cơ sở 2 polyme đã tổng hợp ở trên

4 Kiểm tra và điều khiển trọng lượng phân tử để điều khiển giản đồ chuyển pha sol-gel

2 Giai đoạn 2: Khảo sát tổng hợp oligome glycine nhạy cảm pH từ glycine bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch với hệ xúc tác DCC/DMAP và điều khiển khối lượng phân tử của nó cho mục đích phân phối thuốc

3 Giai đoạn 3: Tổng hợp polyme hydrogel nhạy cảm pH và nhiệt độ trên cơ sở PCL-PEG-PCL và oligome glycine đã tổng hợp bằng phương pháp trùng ngưng trong dung dịch

Pentablock copolyme OG-PCL-PEG-PCL-OG nhạy pH và nhiệt độ đã tổng hợp được đánh giá giản đồ chuyển pha sol-gel ằng phương pháp thử nghiệm nghịch chuyển.Nó có thể đề ion h a trong môi trương pH cao trên 8 và ion h a trong môi trường pH thấp dưới 3.5)

Pentablock copolymer tạo thành có khả năng gel chứa thuốc tại kiện cơ thể người và có khả năng nhạy pH trong khoảng từ 3.5-8 phù hợp cho ứng dụng phân phối thuốc hiệu quả

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: các yếu tố có thể kích thích của môi trường lên polyme hydrogel Bảng 2.1: Một số polyme nhạy nhiệt độ ứng dụng làm hydrogel phân phối thuốc Bảng 3.2: Giá trị pH của một số cơ uan trong cơ thể

Bảng 4.1: Đơn pha chế tổng hợp oligome glycine Bảng 4.2: Đơn pha chế tổng hợp pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG Bảng 5.0: Kết quả đo sol-gel của triblock PCL-PEG-PCL (20%wt) Bảng 5.1: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 80oC Bảng 5.2: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 100oC Bảng 5.3: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 120oC Bảng 5.4: Kết quả đo GPC và xác định pKb của oligome glycine tổng hợp tại 140oC Bảng 5.5: Kết quả đo hối lượng phân tử trung bình Mn của OG tại nhiệt độ và thời

gian khác nhau Bảng 5.6: Kết quả đo pKb, khoảng nhạy của các oligome glycine tổng hợp tại các điều

kiện khác nhau Bảng 5.7: Kết quả ghép OG lên PCL-PEG-PCL được xác định bằng phân tích sắc kí

gel GPC Bảng 5.8 : Kết quả phân tích chuyển pha sol-gel theo pH và nhiệt độ của:

(a) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (PEG 1750, OG 950, 20%wt) (b) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (PEG 2000, OG 950, 20%wt)

Hình 1.3 : Hình thức phân tán dược phẩm/protein của hydrogel:

a) Theo phương pháp cũ Theo phương pháp mới dùng hydrogel Hình 1.4: Hydrogel siêu hấp thụ nước giữ ẩm cho cây trồng trong nông nghiệp Hình 2.1: a cơ chế phân phối thuốc của hydrogel

Hình 2.2: quá trình phân phối thuốc của hydrogel theo cơ chế khuếch tán Hình 2.3: quá trình phân phối thuốc của hydrogel theo cơ chế ăn mòn h a học Hình 2.4: (a) Poly (axit acrylic) (PAAc), (b) Poly (axit methacrylic) (PMAAc), (c) Poly

(axit 2 – ethyl acrylic) (PEAAc), (d) Poly (axit 2 – propyl acrylic) (PPAAc) Hình 2.5: Một số polyme nhạy pH:

a Poly N, N’ – dimethyllaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) Poly N, N’ – diethylaminoethyl mathacrylate) (PDEAEMA) (c) Poly(4 hoặc 2 – vinylpyridine) (PVP)

(d) Poly(vinyl imidazole) Hình 2.6:

a Sự trương của cationic và anionic hydrogel trong môi trường b Sự trương nở và giải phóng thuốc của dược phẩm sử dụng IHP nhạy cảm pH Hình 2 : Sự phân phối thuốc của hydrogel nhạy pH và nhiệt độ

Hình 2.8: Quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy cảm pH/nhiệt độ trong các

điều kiện môi trường khác nhau Hình 2.9: quá trình phân phối insulin vào cơ thể người của PAE-PCL-PEG-PCL-PAE

nhạy pH/ nhiệt độ Hình 2.10: Thuốc điều trị ung thư tuyến tiền liệt Eligar® và bệnh uanh răng Atridox ®

Hình 2.11: Sơ đồ quá trình sử dụng thuốc dạng Atrigel trong lâm sàng

v Hình 2.12 : các vùng mô có thể sử dụng các hệ phân phối thuốc dựa trên Hydrogel Hình 2.13: mô phỏng những tác nhân kích thích tạo uá trình trương nở của IHP Hình 2.14: Khả năng nhạy pH/nhiệt độ tạo gel và giải phóng thuốc của hydrogel Hình 2.15: Sự phân hủy sinh học của hydrogel khi tiêm hydrogel vào chuột bạch điều kiện in vivo): a) Sau 1 ngày ; b) Sau 7 tuần

Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn uá trình xác định độc tính của PEG 1750 với các nồng độ khác nhau

Hình 3.1: Xác suất tạo hợp chất vòng có số cạnh khác nhau Hình 3.2: Quá trình tổng hợp polypeptit bằng phương pháp của Merefield Hình 3.3: Tác nhân khóa nhóm –NH2 :

a BOC: tert-ButylOxyCarbonyl (mở h a ằng T A Tri loro acetic : F3COOH)

b Fmoc: 9-FloroenylMetylOxyCarbonyl (mở h a ằng piridine Hình 3.4: Cấu tạo của một số lacton từ vòng 3 đến vòng 6

Hình 4.1 : Cấu trúc phân tử của Poly(ethylene glycol) (PEG) Hình 4.2 : Cấu trúc phân tử của ε-caprolactone (CL)

Hình 4.3 : Cấu trúc phân tử của Stannous Octoate [Sn(Oct)2] Hình 4.4 : Cấu trúc phân tử của glycine

Hình 4.5 : Cấu trúc phân tử của N N- Dicyclohexylcarbodiimide Hình 4.6 : Cấu trúc phân tử của dimethylaminopyridine

Hình 4.7: Hệ thí nghiệm Hình 4.7: Sản phẩm oligome glycine Hình 5.1: Kết quả phân tích GPC của triblock copolyme PCL-PEG-PCL với PEG

1750, PEG/PCL = 1.8/1 wt%) Hình 5.2: Giản đồ phân tích chuyển pha sol gel của triblock PCL-PEG-PCL

(PEG 1750, PCL/PEG = 1.8) Hình 5.3: Quá trình chuyển sol-gel của triblock copolyme PCL-PEG-PCL Hình 5.4: Dạng của đồ thị nhạy pH

Hình 5.5: Đồ thị biểu diễn cách xác định pKb và khoảng nhạy pH Hình 5.6: đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi

tổng hợp oligome glycine tại 80oC

v Hình 5 : đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi

tổng hợp oligome glycine tại 100oC Hình 5.8: đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi

tổng hợp oligome glycine tại 120oC Hình 5.9: đồ thị tương uan thời gian phản ứng và khối lượng phân tử trung bình khi

tổng hợp oligome glycine tại 140oC Hình 5.10: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình

khi tổng hợp oligome glycine tại 80oC Hình 5.11: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình

khi tổng hợp oligome glycine tại 100oC Hình 5.12: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình

khi tổng hợp oligome glycine tại 120oC Hình 5.13: đồ thị tương uan giá trị pKb và khối lượng phân tử trung bình

khi tổng hợp oligome glycine tại 140oC Hình 5.14: Kết quả phổ 1H-NMR (a) Glycine (b) Oligome glycine Hình 5.15: Kết quả phổ 1H-NMR (a) Triblock PCL-PEG-PCL

(b)Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG Hình 5.16: Kết quả pH cận dưới, cận trên và pKb của oligome glycine ở các khối lượng phân tử khác nhau

Hình 5.17: Các trạng thái chuyển pha sol -gel của pentablock copolyme

OG-PCL-PEG-PCL-OG a) Sol b) Gel c) Sol(sedimentation) Hình 5.18: Kết quả phổ 1H-NMR:

(a) Triblock PCL-PEG-PCL(CDCl3, 500MHz) , (b) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG(CDCl3, 500MHz) Hình 5.19: Giản đồ phân tích chuyển pha sol-gel theo pH và nhiệt độ của Triblock PCL-PEG-PCL và pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (với các phân tử khối OG khác nhau, PCL/PEG =1.8) nồng độ dung dịch pentablock 20% wt

Hình 5.20: Giản đồ phân tích chuyển pha sol-gel theo pH và nhiệt độ của:a) Hydrogel tại điều kiện cơ thể người

b) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG ( với MOG = 950, MPEG lần lượt là 1750 và

v 2000), nồng độ dung dịch pentablock 20% wt c) Pentablock OG-PCL-PEG-PCL-OG (với MOG = 950, MPEG = 2000, tại điều

kiện cơ thể người) nồng độ dung dịch pentablock 20% wt

1

hương 1: T ng n ề h d g l 1.1 Giới thiệu polyme hydrogels[1,2,3,4]:

Polyme hydrogels (PHG) là loại polyme ưa nước, nhưng hông hòa tan trong nước Trong môi trường nước, mạch polyme hấp thụ nước, tạo ra một mạng ba chiều (3D) các chuỗi mạch polyme, tại đ một vài phần được solvat hóa bởi các phân tử nước nhưng các ộ phận còn lại có liên kết hóa học hoặc vật lý với nhau

Polyme hydrogel biểu hiện thuộc tính dễ hấp thụ nước dẫn đến làm trương nở thể tích, nhưng hông hòa tan trong môi trường nước

Ảnh mô phỏng cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel

1 2 Phân loại polyme hydrogel:

Hydrogel được phân loại theo nhiều cách tùy theo ản chất của nguyên liệu, theo cơ chế hấp thụ nước hay theo điện tích của hydrogel,

1 2.1 Phân loại theo nguồn nguyên liệu: 1.2.1.1 Hydrogel polyme thiên nhiên và dẫn suất của chúng:

Một số nguyên liệu tự nhiên để tổng hợp hydrogel: Hyaluronic acid, alginic acid, pectin, carrageenan, chodroitin sulfate, dextran sulfate

1 2.1.2 Hydrogel polyme t ng hợp:

 Các polyeste

PEG – PLA – PEG, Polyethylenglycol-Polylactic acid-Polyethyenglycol

2 PEG – PCL – PEG Polyethylenglycol-Poly caprolacton-Polyethyenglycol P(PF – co – EG)/các nhóm cuối acrylate, P(PEG/PBO terephthalate)

1 2.1.3 Vật liệu t hợp của các polyme thiên nhiên và polyme t ng hợp

P(PEG – copeptides), alginate – g – (PEO – PPO – PEO), P(PLGA - co - serine), Collagel – acrylate, alginate – acrylate, P(HPMA – g peptide), P(HEMA/Matrigel®), HA – g – NIPAAm, Chitosan – g – PEG

1 2.2 Phân loại th cơ chế hấp thụ nước 1 2.2.1 Hydrogel hóa học

Cơ chế hấp thụ nước của các polyme hydrogel xảy ra do liên kết hóa học Tiêu biểu là các liên kết cộng hóa trị Theo cơ chế này, những polyme, ví dụ như polyme vinyl, hi tác dụng với các chất tạo cầu nối trong mạng, hình thành liên kết không gian ba chiều Theo cơ chế này, sự hình thành các hydrogel ưa nước từ các monome vinyl ưa nước như:

 ác hương há chế tạo hydrogel hóa học

 Polyme được tạo liên kết cầu trong chất rắn hoặc trong dung dịch với:

 Phương pháp chiếu xạ uang đối với các polyme nhạy quang (ví dụ như sự chiếu ánh sáng PEO trong H2O)

3

 Mối liên kết hóa học (chẳng hạn xử lý collagel với glutaraldehyde hoặc một bis – epoxide)

 Hợp chất phản ứng đa chức năng ví dụ PEG + diisocyanate – gel nước PU)

 Đồng trùng hợp tạo copolyme từ một monome với một chất tạo liên kết tạo cầu trong dung dịch (ví dụ HEMA + EGDMA)

 Đồng trùng hợp tạo thành copolyme từ một monome với một macrome đa chức năng ví dụ bis – methacrylate biến tính với PLA – PEO – PLA cùng chất nhạy quang ở ánh sáng nhìn thấy)

 Trùng hợp polyme một monome bên trong một polyme rắn hác để tạo ra một gel IPN (ví dụ AN + tinh bột)

 Biến đổi hóa học một polyme kị nước thành một gel nước Ví dụ như phản ứng thủy phân một phần PVAc thành PVA hoặc PAN thành PAN/PAAn/PAAc

 Sự tạo thành các gel nước có liên kết ngang (cross – linked) bằng các phản ứng trùng hợp gốc tự do

1 2.2.2 d g l ật l

Hydrogel vật l được hình thành từ các liên kết hydro, Van der Waals mạnh, các tương tác vật lý giữa các chuỗi mạch trong polyme, trong môi trường nước Điển hình như các tương tác ị nước giữa các chuỗi mạch kị nước trong copolyme ghép, có cấu trúc một mạch ưa nước và một mạch kị nước Các hydrogel vật lí được tạo thành bởi các liên kết ngang (cross – links), không có liên kết cộng hóa trị

 hương há chế tạo hydrogel vật lí

 Tăng nhiệt độ, làm ấm một dung dịch polyme để tạo thành gel (ví dụ như P O – PPO – Các copolyme khối trong H2O)

 Hạ nhiệt độ, làm lạnh một dung dịch để tạo ra một gel (ví dụ hạ nhiệt của agarose hoặc gelatin trong H2O)

 Giảm độ pH để tạo ra một gel có liên kết hydro giữa 2 polyme khác nhau trong cùng một dung dịch c nước như 2 loại polyme PEO và PAAc)

 Trộn các dung dịch polyme anion và một polyme cation tạo ra một hydrogel gel phức liên hợp (ví dụ như trường hợp sodium alginate thêm vào polylysine)

 Hydrogel cation: là loại hydrogel thường chứa nh m amino -NH2, -NH-,… pKb từ 6.2 – .5 như : chitosan, polymysine, poly N-isopropylacryamide PNIPAAm , poly N-diethylaminoacryamide PD AAm … Khi giá trị pH của môi trường thấp hơn P b của hydrogel thì các nh m amin chuyển từ NH2 sang NH3+, ết uả là làm tăng tính ưa nước, lực tĩnh điện mạnh giữa các chuỗi phân tử của hydrogel và tỉ lệ trương cao

 Hydrogel anion: là loại hydrogel thường chứa nh m cac oxylic COOH, SH, SO3H) pKb từ 7.8 – 4 như:

-Poly(acrylic acid)(PAA), Poly(methacrylic acid)(PMAA), hyaluronic acid, alginic acid, pectin, carrageenan, chodroitin sul ate, dextran sul ate,…Khi giá trị pH của môi trường lớn hơn giá trị P a của hydrogel, các nh m –COOH ị ion h a tạo –COO- làm tăng lực tĩnh điện giữa các chuỗi và tính ưa nước của hydrogel

1.2.3.2 d g l t ng t nh

 Hydrogel polyme trung tính: dextran, agarose, pullulan,… Các polyme có thể hình thành các điện tích cùng dấu trên mạch polyme, hình thành mạch polyme mang điện tích, có thể gọi là mạch “Polyelectrolytes”, các điện tích đ tạo nên lực đẩy tĩnh điện làm mạch polyme giãn ra gây nên hiện tượng trương Khi pH thay đổi đến giá trị các nhóm chức không còn bị ion h a đề ion hóa), mạch polyme không còn tồn tại lực đẩy tĩnh điện nên chúng sẽ co lại

Nói cách khác, các polyme nhạy pH là các polyme có các nhóm chức có khả năng ion h a và đề ion hóa khi có sự thay đổi pH của môi trường

1.3 T nh chất củ l m h d g l 3 T nh chất t ương

5 Trương là một tính chất uan trọng dẫn đến sự ứng dụng đa dạng của hydrogel Tính trương của hydrogel phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại và thành phần monome, mật độ liên kết ngang, các tác nhân môi trường như nhiệt độ, pH, lực ion Mật độ liên kết ngang của hydrogel có quan hệ chặt chẽ với các tính chất khác của hydrogel như độ bền cơ, hả năng thấm ướt của hydrogel Và cơ tính của hydrogel cơ ản n cũng phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của monome Do đ , hydrogel trương nở chứa hàm lượng nước cao thì cơ tính của nó sẽ yếu, nhưng hi ta làm tăng độ bền cơ của hydrogel lên bằng cách tạo nhiều liên kết ngang trong mạch hoặc đồng trùng hợp với các comonome kị nước, với cách này thì nó sẽ làm giảm khả năng trương của hydrogel

Tính chất trương của hydrogel được ứng dụng để chế tạo vật liệu giữ độ ẩm cho cây trồng trong nông nghiệp, nuôi cấy mô, hydrogel trương và phân phối thuốc trong y học… Tính chất trương được phản ánh ua tỉ lệ hối lượng trương tỉ số hối lượng của mẫu đã trương và mẫu an đầu Các yếu tố ảnh hưởng đến tỉ lệ trương gồm: tỉ lệ hâu mạng, nồng độ dung môi, cấu trúc h a học của polyme và tác nhân ích thích

T nh chất cơ

Tính chất cơ của hydrogel rất uan trọng trong việc lựa chọn vật liệu thích hợp trong những ứng dụng về thuốc Hydrogel cần duy trì sự ổn định về các tính chất vật l và cơ học Do đ , độ ền cơ của hydrogel cần được cân nhắc hi thiết ế các hệ dùng chữa ệnh như dẫn thuốc Ví dụ, thuốc và những phân tử sinh học hác cần được ảo vệ hỏi những ảnh hưởng của môi trường như pH trước hi giải ph ng thuốc ở nơi đã được ui định trước Độ ền cơ của hydrogel c thể được cải thiện ởi việc hâu mạng crosslin ing hydrogel Tuy nhiên, mức độ hâu mạng uá cao sẽ dẫn đến tăng độ cứng và giảm độ mềm d o elasticity của hydrogel và việc vận chuyển các tác nhân hoạt h a sinh học sẽ gặp h hăn Do đ , việc thiết ế cân đối giữa độ ền cơ và độ mêm d o là rất cần thiết cho những loại vật liệu này

c T nh tương hợ inh học

Tính tương hợp sinh học rất uan trọng đối với các vật liệu tổng hợp Để trở nên tương hợp sinh học và hông độc hại cho các ứng dụng sinh học Hầu hết các

6 polyme dùng trong y học phải được iểm tra độc tính Hầu hết vấn đề độc tính trong hydrogel là do các monome chưa phản ứng, các chất hơi mào chưa ị loại ỏ sau hi tổng hợp,…Để giảm độc tính người ta thường dùng tia gamma trong các thuật trùng hợp nhằm loại ỏ các chất hơi mào

1.4 ng dụng củ l m h d g l 3 4 T ng học:

- Hydrogel làm da nhân tạo, vật liệu sữa chữa, phục hồi mô ở người hydrogel giữ ẩm giúp chữa bỏng, hồi phục vết thương… ích thích sự phát triển iểu ì da - Hydrogel làm iosensor

- Hydrogel làm vật liệu truyền tải và phân phối thuốc

8

c T ng đời ống:

- Hydrogel silicon làm ính áp tròng - Hydrogel sillicon làm sca old giàn giáo chữa bỏng - Hydrogel chịu nhiệt ứng dụng làm các lớp cách nhiệt trong tủ lạnh, các tấm ính cửa sổ,…

Chúng có thể biến đổi ra nhiều dạng, cũng c thể được hòa tan trong dung dịch có nước N được hấp thụ hoặc cấy ghép vào bền mặt tiếp xúc rắn – nước, hoặc được tạo liên kết cầu trong các dạng hydrogel

Vật lý Nhiệt độ

Lực ion Các dung môi Sự phát xạ (UV, ánh sáng nhìn thấy) Điện trường

ng suất cơ Áp suất cao Sự phát xạ siêu âm Từ trường

Các ion riêng biệt Các tác nhân hóa học Sinh học Các nền enzyme

Các phối tử ái lực Các tác nhân sinh học khác

Bảng 1.1: các yếu tố kích thích của môi trường lên polyme hydrogel

2.1.1 ơ chế h n hối th ốc củ h d g l th ng minh

Hydrogel thông minh phân phối thuốc theo một trong các cơ chế sau: - Khuếch tán: khuếch tán qua màng bao, khuếch tán từ trong nền hydrogel - Giảm cấp hóa học: nền hydrogel giảm cấp sinh học và bào mòn sinh học, thủy phân cắt liên kết thuốc-hydrogel nhờ men

10 - Kích hoạt bằng dung môi: thẩm thấu, trương nở, thải theo tác động kích thích của nhiệt độ, pH, điện từ trường,…

2 ba cơ c ế phân phối thuốc của hydrogel

Như vậy, các polyme thành phần trong hydrogel cần được chọn lựa để c thể đáp ứng một trong các cơ chế phóng thải thuốc nói trên

- h n hối th ốc th cơ chế khuếch tán:

Việc sử dụng polyme tổ hợp là phổ biến hi theo cơ chế này Polyme tổ hợp được dùng làm hydrogel nền để giữ các phân tử thuốc nằm bên trong Thuốc sẽ khuếch tán dần ra ngoài từ trong nền polyme tổ hợp này

11

Hình 2.2: quá trình phân phối thuốc của ydrogel t eo cơ c ế khuếch tán

h n hối th ốc th cơ chế t ương nở

Sự phân tán dược phẩm theo cơ chế trương nở xuất hiện khi sự khuếch tán dược phẩm/protein nhanh hơn sự trương nở của polyme Do đ sẽ có sự dịch chuyển của các phân tử giữa mặt phân cách của trạng thái cao su và trạng thái thủy tinh của polyme trương nở giống như sự di chuyển ra vùng iên hình 2.1

c h n hối th ốc th cơ chế n m n h học

Cơ chế phân tán dược phẩm bằng phương pháp h a học được dùng để mô hình hóa sự phân tán các phân tử, được xác định thông qua các phản úng xảy ngay trong phân tử chất mang Phản ứng thuần túy nhất xảy ra trong chất mang là phản ứng thủy phân của chuỗi polyme, theo con đường thủy phân, sự phân hủy bởi enzym hoặc là các phản ứng thuận nghịch, bất thuận nghịch xảy ra giữa mạng lưới polyme với dược phẩm Cơ chế giảm cấp hóa học này chịu sự chi phối bởi các phản ứng hóa học xảy ra trong suốt uá trình phân tán dược phẩm Thông thường sự giải ph ng dược phẩm xuất hiện thông qua sự ăn mòn ề mặt hoặc thủy phân khối polyme như trên hình 2.1 Trong huôn hổ luận văn này, copolyme Hydrogel penta loc nhạy pH/nhiệt độ được tổng hợp dự iến sẽ ứng dụng cho việc giải ph ng thuốc theo cơ chế này

Hình 2.3: quá trình phân phối thuốc của ydrogel t eo cơ c ế ă mò óa ọc

2.2 l m h d g l th ng minh nhạ nhiệt độ 1 2 3

Copolyme nhạy cảm là nhóm vật liệu có khả năng tự thay đổi cấu trúc của chúng cho phù hợp với sự kích thích của môi trường Có nhiều loại kích thích nhạy cảm khác nhau như nhạy cảm pH, nhiệt độ, điện trường…

Trong số các vật liệu nhạy cảm thì copolyme hydrogel nhạy cảm nhiệt cho thấy khả năng chuyển pha giữa sol - gel theo sự thay đổi của nhiệt độ đã đưa ra những ứng dụng

12 trong y sinh như hệ thống phân tán dược phẩm Bởi vì sự chuyển pha giữa sol-gel của hydrogel này có thể kiểm soát dễ dàng bằng sự thay đổi nhiệt độ môi trường Những cấu trúc kị nước của chúng tham gia vào liên kết của cấu trúc polyme làm cho dung dịch nước của polyme thay đổi từ trạng thái sol sang gel một cách dễ dàng dưới tác dụng của sự thay đổi nhiệt

Hydrogel nhạy cảm nhiệt với thuộc tính thay đổi pha thể tích đã được nghiên cứu rộng rãi cho hệ vận chuyển và phân tán thuốc Trong các loại hydrogel nhạy cảm nhiệt, thì poly(N-isopropylamide PNIPAAm là được sử dụng rộng rãi nhất Dung dịch nước của PNIPAAm và các copolyme của n thay đổi đột ngột uanh điểm nhiệt độ hòa tan tới hạn dưới của nó ( LCST), nhiệt độ biến đổi này gần giống với nhiệt độ cơ thể Hydrogel hòa tan khi nhiệt độ thấp hơn LCST, và hông hòa tan hi nhiệt độ cao hơn LCST Hydrogel có sự nhạy cảm nhiệt trái ngược nhau như vậy là do sự cạnh tranh giữa liên kết hydro và tương tác ị nước trong hydrogel Liên kết hydro giữa các nhóm ưa nước của chuỗi polyme và các phân tử nước sẽ chiếm ưu thế khi nhiệt độ thấp và kết quả hă năng hòa tan hay hả năng trương cao Tuy nhiên hi nhiệt độ tăng lên, tương tác ị nước giữ các nhóm kị nước mạnh hơn làm cho hydrogel bị co lại do các chuỗi nội phân tử polyme kết hợp lại với nhau thông ua tương tác ị nước Và thuộc tính này đã được ứng dụng trong hệ thống vận chuyển thuốc on/off

Copolyme hối dạng BAB là một trong những hydrogel nhạy cảm nhiệt độ đặc trưng, chúng chứa các hối loc ưa nước ở tâm core và các hối ị nước ở phần cuối cấu trúc của polyme Những hối ị nước này đ ng vai trò như một phần nhạy cảm nhiệt, tính kị nước của chúng tỷ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ Do đ chúng thể hiện được tính tan- không tan của hối copolyme và chúng là phần phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ

Các hydrogel nhạy cảm nhiệt như poly ethylene oxide -b-poly(l-lactide-co-glycolide) (PEO-P(LLA/GA)), poly(ethylene oxide)-b-poly((D,L-lactide-co-glycolide) (PEO-P(DLLA/GA)), và PEG-grafted chitosan

Các triblock copolyme hydrogel nhạy cảm nhiệt độ hác đi từ loại cấu trúc ABA của poly(ehtylen glycol)-poly(L-lactide)-poly(thylen glicol) Triblock copolyme (PEG-PLLA-PEG)

13 IHP nhạy cảm nhiệt độ thông qua biểu hiện sự chuyển trạng thái, như sự chuyển đổi trạng thái đông đặc – dung dịch dẫn đến thay đổi nhiệt độ Sự phân loại các IHP nhạy nhiệt độ bao gồm:

- Các polyme dựa trên nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp (Lower Critical Solution Temperature – LCST)

- Các polyme dựa trên sự cân bằng phân tử lưỡng tính (Polymes based on Amphiphillic Balance)

- Các polyme sinh học và các polypeptide nhân tạo (Biopolymes and Artificial Polypeptides)

2.2.1 Các IHP nhạy nhiệt độ th cơ chế LCST

IHP nhạy nhiệt độ theo hiệu ứng LCST điển hình theo cơ chế này là ình thường, ở nhiệt độ thấp, polyme là chất lỏng Khi làm nóng ở nhiệt độ cao hơn, các polyme là chất kị nước và hông trương nở đáng ể trong nước Một số polyme tiêu biểu của loại này như:

a) Poly(nisopropylacrylamide) (PNIPAAm); b) Poly(N, N’ – diethylacrylamide) (PDEAAm); c) Poly(2 – carboxyisopropylacrylamide) (PCIPAAm); d) Poly(N-(L)-(1 – hydromethyl) propylmethacrylamide (P(L – HMPMAAm)) e) Poly(N – acryloyl – N’ – alkylpiperazine)

2.2.2 IHP nhạy nhiệt độ theo hiệu ứng cân bằng trong phân tử lưỡng tính (Polymes based on Amphiphillic Balance)

Một số blockcopolyme có thành phần cấu tạo phân tử lưỡng tính, bao gồm các nhóm ưa nước và kị nước Loại polyme này cảm ứng nhiệt độ, tạo hạt micell trong môi trường nước và hình thành gel Như vậy, nhiệt độ hóa gel là nhiệt độ tới hạn Ở trên nhiệt độ đ , dung dich polyme đông lại thành gel Tiêu biểu cho vật liệu loại này là các copolyme 3 khối poly(ethylen oxit) – poly(propylene oxit) – poly(ethylene oxit) (PEO – PPO PEO)

Sự cân bằng tính kị nước / ưa nước có thể được điều chỉnh bởi sự đưa vào 2 mạch bên các thuộc tính ưa nước và kị nước Tiêu biểu cho PHG loại này như:

Các copolyme ba khối poly(ethylene glycol – b – L – axit lactic – coglycolide – b – ethylene glycol) (PEG – PLGA – PEG)

14

 Poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAAm

 Poly(ethylene oxide-β-ethylene oxide) PEG – PPG – PEG, Poloxamer hoặc Pluronic

 Poly(ethylene oxide- β-lactide hoặc glycolide- β-ethylene oxide) PEG – PLGA – PEG

 Polyphsphazene

 Methylcellulose, Hydroxypropylcellulose, dẫn suất của Chitosan, Collagen

Không phân hủy sinh học

Không phân hủy sinh học, ăn mòn nhanh

Phân hủy sinh học, gel hóa với nồng độ polyme cao

Phân hủy sinh học, gel hóa với nồng độ polyme thấp

Phân hủy sinh học, quá trình chuyển pha ở nhiệt độ cao

Bảng 2.1: Một số polyme nhạy nhiệt độ ứng d ng làm hydrogel phân phối thuốc

2.3 Sự t ương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạ nhiệt độ

Những viên nang nano c chứa thuốc ở trong môi trường c nhiệt độ tới hạn, viên nang PHG trương nở và giải ph ng thuốc Các PHG nước nhạy nhiệt độ điển hình như PNIPAAM poly N- isopropyl acryamide hoặc copolyme hối của n Các polyme hydrogel này nhạy cảm theo hiệu ứng dựa trên nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp Lo er Critical Solution temperature - LCST vào hoảng 32oC[2]

2.3.1 Polyme hydrogel thông minh (IHP) nhạy pH[1,2,3,16]

Đây là những IHP có các mhom1 chức có khả năng ion h a, chúng c hả năng cho hay nhận proton hi pH môi trường thay đổi Mức độ ion hóa của hydrogel phụ thuộc vào bản chất nhóm chức điển hình như các axit car oxylic hoặc các nhóm amine Sự phân loại của các hydrogel nhạy pH dựa vào các đặc tính sau:

- Axit lưỡng tính(chứa các nhóm chức : –COOH, -SH, SO3H… - Bazơ lưỡng tính(chứa các nhóm chức: -NH2, -NH-,…

- Polyme có khả năng suy iến nhạy pH

15 - Polyme sinh học và các polypeptide nhân tạo Cơ chế hình thành khả năng nhận biết pH thông quá sự thay đổi môi trường: Do sự sinh ra điện tích dọc theo mạch chính của polyme, lực đẩy tĩnh điện làm tăng thể tích thủy động lực học của polyme Sự biến đổi pH được quan sát thông qua thay đổi môi trường Ví dụ như sự quan sát sự thay đổi môi trường của bộ máy tiêu hóa giữa ruột và dạ dày: Gastrointestinal tract (GI-Tract) GI-Tract rất nhạy với sự thay đổi của pH và là một điểm quan trọng cho các ứng dụng của các polyme nhạy pH Độ pH của GI-Tract là ~2 trong khi của ruột pH là ~ 7.4 hoặc 7.8

IPH nhạy pH là những l m t lưỡng tính, tiêu biể như:

Hình 2.4: (a) Poly (axit acrylic) (PAAc), (b) Poly (axit methacrylic) (PMAAc), (c) Poly (axit 2 – ethyl acrylic) (PEAAc), (d) Poly (axit 2 – propyl acrylic) (PPAAc)

IPH nhạy pH là những l m zơ lưỡng tính, tiêu biể như:

16

Hình 2.5: Một số polyme nhạy pH: (a) Poly(N, N’ – dimethyllaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) (b) Poly(N, N’ – diethylaminoethyl mathacrylate) (PDEAEMA) (c) Poly(4 hoặc 2 – vinylpyridine) (PVP)

(d) Poly(vinyl imidazole)

IPH nhạy pH là những polyme có khả n ng tự phân hủ như:

Dựa vào các yếu tố cấu tạo nên polyme nhạy pH là các nhóm chức có khả năng ion h a và đề ion hóa như đã nêu trên Do vậy, các monome được lựa chọn tổng hợp phải chứa đựng các nhóm chức mà sau khi hình thành nên polyme có khả năng ion h a và đề ion h a hi pH môi trường thay đổi như –COOH, -SH, -NH2,…

Tuy nhiên, polyme được chế tạo để ứng dụng tiêm vào cơ thể người nên cần đạt những yêu cầu về độc tố, mức độ nhạy phù hợp với môi trường sử dụng và khả năng phân hủy sinh học tốt sau thời gian sử dụng

Để thỏa mãn những điều kiện này, polyme nhạy pH được chế tạo phải có khối lượng phân tử không quá lớn để có thể phân hủy nhanh ch ng sau đến 21 ngày), do vậy

18 polyme nhạy pH thường được tổng hợp thành các oligome (với số mắt xích hình thành nhỏ hơn 100 đơn vị) Yếu tố môi trường cơ thể nơi sử dụng rất quan trọng trong quá trình ứng dụng của oligome, do vậy cần xét đến những yếu tố ên trong cơ thể Dưới đây là giá trị pH và các thành phần ion trong cơ thể:

Bảng 3.1: Giá trị pH của một số cơ q a tro g cơ t ể

Đề tài này nhằm mục đích tổng hợp oligome nhạy pH áp dụng cho hệ thống phân phối thuốc bằng phương pháp tiêm vào cơ thể người Do vậy, loại oligome được tổng hợp để khảo sát phải bị đề ion hóa (gel) ở giá trị pH của máu (7.15 - 4 để có thể bao bọc phần thuốc bên trong hi được tiêm vào cơ thể, và bị ion hóa ở pH cao hơn 4 hay thấp hơn 0 nhằm hòa tan được trong dung dịch trước khi sử dụng Để thỏa mãn điều này, oligome tạo ra phải có các nhóm chức trên mạch thỏa mãn điều kiện và đề ion h a như trên, như các nh m có giá trị pKa từ 3 đến 10 [8,11]

2.3.3 Sự t ương nở và giải phóng thuốc của các IHP nhạy pH

Như hình 2.6 mô tả uá trình trương nở và giải phóng thuốc của dược phẩm sử dụng PHG

a

19

b Hình 2.6: a Sự trươ g của cationic và anionic hydrogel trong môi trường b Sự trươ g ở và giải phóng thuốc của dược phẩm sử d ng IHP nhạy cảm pH

Thuốc được bọc trong nang nano IHP Khi tiếp xúc với môi trường, hạt IHP có chứa thuốc trương nở trong môi trường kiềm đối với các anionic hydrogel và giải phóng thuốc theo một quy luật nhất định Trong trường hợp cationic hydrogel, viên nang trương nở và giải phóng thuốc trong môi trường acid

2.4 l m h d g l nhạ à nhiệt độ 1 2 3 14 12 2.4.1 Ư điểm củ l m h d g l nhạ à nhiệt độ

Với việc các copolyme hydrogel nhạy nhiệt độ thể hiện nhiều ất lợi trong việc dẫn truyền thuốc/protein như:

 Dễ gel h a tại nhiệt độ cơ thể nên gây h hăn để tiêm vào cơ thể người  các hydrogel nhạy nhiệt hầu như là các polyeste sau hi tiêm hydrogel c huynh hướng giảm cấp nhanh tạo ra các monome acid c thể c hại cho một số protein và acid nucleic

 Các hydrogel nhạy nhiệt độ thiếu sự đa dạng về nhóm chức nên chỉ có thể kết hợp với một số loại thuốc dẫn đến việc giới hạn phạm vi điều trị của loại vật liệu này

Để giải uyết vấn đề này và c thể điều hiển hả năng ph ng thích của các phân tử sinh học nhằm thiết ế hệ thống dẫn truyền thuốc/protein mới Phương pháp thông dụng được sử dụng trong những năm gần đây là nghiên cứu phát triển copolyme hydrogel c hơn một độ nhạy với ích thích ngoài nhạy với nhiệt độ pH đáp ứng ích thích thường được dùng để ết hợp với hydrogel nhạy nhiệt độ để chế tạo ra

20 công cụ dẫn truyền thuốc/protein mới Sản phẩm được dự đoán là đáp ứng với cả pH và nhiệt độ 1

Khi pH của môi trường nhỏ hơn pKb của khối polyme nhạy pH thì khối nhạy pH được ion hóa và polyme sẽ tồn tại ở trạng thái sol và ngược lại dung dịch polyme sẽ tồn tại ở trạng thái gel Tại môi trường có pH nhỏ hơn pH của pKb copolyme sẽ bị ion hóa và trở nên ưa nước và trương nở trong môi trường ưa nước từ đ giải phóng thuốc (hình 2.5)

2 ự p â p ối t ốc của ydrogel ạy p và iệt độ

Hình 2.7 trên cho thấy, hydrogel trải ua uá trình trương nở do sự thay đổi pH của môi trường và kết quả thuốc được khuếch tán dễ dàng qua mạng lưới polyme bị trương nở Mặt khác, nhiệt độ môi trường cũng làm tăng độ co ngót của hydrogel, và quá trình phân tán thuốc cũng xảy ra nhanh hơn do sự ép chặt của mạng lưới polyme lại

2.4.2 ơ chế chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy pH và nhiệt độ[1]

Cấu trúc của hydrogel được đánh giá ằng các phương pháp như: đo cộng hưởng từ proton 1H-NMR để xác định cấu trúc của copolymer hydrogel, đo laser scattering tán xạ laser) hoặc đo T M ính hiển vi điện tử truyền ua để xác định cấu trúc gel của hydrogel, phân tích sol-gel để xác định khả năng chuyển sol-gel của hydrogel trong

21 điều kiện môi trường cơ thể người Cơ chế của quá trình chuyển sol-gel của hydrogel có thể được trình ày như sau:

Ví dụ: Sulfamethazine oligome (OSM) là một oligome xảy ra quá trình ion hóa ở pH trong khoảng 7.4, trong trạng thái ion h a thì OSM đ ng vai trò như một khối ưa nước, và sẽ chuyển sang khối kị nước trong môi trường không bị ion h a Như vậy cơ ản OSM là một khối nhạy cảm pH Khi ghép OSM với hydrogel nhạy cảm nhiệt độ như poly ε-CL-co-LA)-PEG-poly ε-CL-co-LA) (PCLA-PEG-PCLA) ta sẽ có hydrogel nhạy cảm cả nhiệt độ và pH OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM Hình 2.8 cho thấy cơ chế chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH ở 150C và pH 8.0 (trạng thái D) dung dịch copolyme tồn tại ở trạng thái lỏng (sol) với độ nhớt thấp do có ít khối kị nước PCLA và khối OSM bị ion hóa Khi nhiệt độ tăng từ 150C đến 370

C (dung dịch copolyme chuyển từ trạng thái D sang B), mặc dù PCLA trở nên kị nước hơn hi nhiệt độ tăng nhưng OSM vẫn là khối ưa nước do ở pH cao thì OSM vẫn bị ion h a Do đ , hối PCLA-OSM hông c đủ khả năng để tạo ra tương tác giữa các micell nên độ nhớt của dung dịch copolyme này vẫn tăng lên hi so sánh với trạng thái D, và như vậy nó vẫn tồn tại ở trạng thái lỏng (sol) Khi dung dịch copolyme chuyển từ trạng thái D sang C, OSM bị đề ion hóa do pH giảm từ 8.0 xuống 7.4 Sau đ nh m sulfonamide trong OSM mà không bị ion h a c xu hướng kết tinh lại Độ nhớt của dung dịch copolyme tăng lên do tương tác ị nước yếu giữa các khối OSM đề ion hóa nhưng dung dịch vẫn ở trạng thái sol Ở nhiệt độ 370

C và pH 7.4 (trạng thái A), khối PCLA và OSM bị đề ion hóa tạo ra liên kết kị nước rất mạnh giữa các khối PCLA-OSM Nhiều cầu nối giữa các micell đã được hình thành do tương tác ị nước giữa các khối PCLA-OSM Do đ copolyme hydrogel OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM tồn tại ở trạng thái gel hóa.[1]

22

Hình 2.8: Quá trình chuyển pha sol-gel của hydrogel nhạy cảm pH/nhiệt độ trong

các điều kiệ môi trường khác nhau

Dai Phu Huynh đã tổng hợp copolyme nhạy pH/nhiệt độ PA -PCL-P G-PCL-PA ứng dụng truyền tải insulin cho người mắc ệnh tiểu đường như sau: 1

PCL-P G-PCL Polycaprolacton - Poly etylen glycol – Polycaprolacton : nhạy nhiệt độ

PA Poly β-aminoeste : nhạy pH với p b của PA hoảng 6.5