Nghiên cứu khả năng nhả chậm và hoạt tính gây Độc tế bào của hệ vi hạt alginate mang vorinostat

Với khả năng hòa tan trong nước, khả năng bám dính niêm mạc, chuyển tiếp sol-gel, ái lực với các ion hóa trị hai và dễ dàng thay đổi hóa học để điều chỉnh các đặc tính làm cho alginate t

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành Kỹ thuật hóa học

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Khắc Vũ

HÀ NỘI, 11/2023

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Ngô Thị Thùy Trang

Đề tài luận văn: Nghiên cứu khả năng nhả chậm và hoạt tính gây độc tế

bào của hệ vi hạt alginate vorinostat

Ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã số SV: 20212591M

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 27/10/2023với các nội dung sau:

- Bổ sung tài liệu tham khảo trong phần mở đầu

- Chỉnh sửa lỗi tài liệu tham khảo

- Bổ sung trục hoành của giản đồ DSC

- Chỉnh sửa các lỗi chính tả, lỗi diễn đạt

Ngày 08 tháng 11 năm 2023

Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Lời cảm ơn

Để luận văn được hoàn thành, cùng với nỗ lực của bản thân tác giả đã nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ, động viên của các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Tác giả chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hoá dược

và Bảo vệ thực vật, Bộ môn Công nghệ Điện hóa và Bảo vệ kim loại – Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và tạo điều kiện giúp

đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Đặng Trung Dũng và đặc biệt là PGS.TS Trần Khắc Vũ đã tận tình hướng dẫn, góp ý và luôn động viên trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn thạc sĩ

Tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè và những người yêu thương đã luôn

ở bên đồng hành, ủng hộ và là nguồn động lực mạnh mẽ

Tác giả xin trân trọng cảm ơn chương trình phát triển khoa học cơ bản trong lĩnh vực Hóa học, Khoa học sự sống, Khoa học trái đất và Khoa học biển giai đoạn 2017-2025 theo đề tài số ĐTĐL.CN-69/19 đã tài trợ cho nghiên cứu này

Một lần nữa, xin được chân thành cảm ơn!

Tóm tắt nội dung luận văn

Vorinostat là một chất ức chế enzyme histone deacetylase, được chấp thuận như một thuốc điều trị ung thư hạch tế bào T ở da Tuy nhiên, sinh khả dụng của vorinostat rất thấp Trong khi đó, alginate là một trong những polymer phổ biến trong các hệ phân phối thuốc Đây là một polysaccharide rẻ, sẵn có, không độc hại, đã có nhiều ứng dụng trong ngành dược phẩm cũng như thực phẩm Có nhiều phương pháp để tạo vi hạt hydrogel alginate Trong số đó, sử dụng thiết bị

vi lưu là một phương pháp mới, có nhiều ưu điểm như: độ chính xác cao, dễ dàng điều khiển và khống chế độ đồng đều của kích thước hạt

Nghiên cứu này mô tả quá trình chế tạo vi hạt alginate mang vorinostat bằng thiết bị vi lưu Hình thái học của các sản phẩm vi hạt được đánh giá bằng các phương pháp kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ tia X (EDS-Mapping) Đặc tính nhiệt của vorinostat trong các vi hạt được đánh giá bằng phép đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) Định lượng hàm lượng vorinostat trong các nghiên cứu tối ưu hóa hàm lượng mang vorinostat, độ tan của vorinostat

từ vi hạt, nghiên cứu giải phóng thuốc in vitro bằng phương pháp quang phổ hấp

thụ phân tử UV-Vis Sử dụng phương pháp màng thẩm tách để đánh giá khả năng nhả chậm vorinostat từ hệ vi hạt trong dung dịch PBS (pH 7,4) Tác dụng độc tế bào của hệ vi hạt alginate-vorinostat được thử trên các dòng tế bào ung thư: ung thư biểu mô tế bào gan (HepG2), ung thư phổi ở người (SK-LU-1) và ung thư vú

ở người (MCF-7) bằng phương pháp Sulforhodamine B Nghiên cứu, đánh giá độc tính cấp trên chuột nhắt trắng và độc tính bán trường diễn trên chuột cống trắng

Vi hạt alginate mang vorinostat được chế tạo thành công bằng thiết bị vi

lưu mở ra một cách tiếp cận mới, hiệu quả và tiết kiệm chi phí để ứng dụng trong

quá trình vận chuyển thuốc

HỌC VIÊN

Ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về vorinostat 3

1.1.1 Ung thư lympho tế bào T 3

1.1.2 Vorinostat 4

1.1.3 Hệ phân phối thuốc vorinostat 7

1.2 Hệ phân phối thuốc bằng vi hạt 9

1.2.1 Hệ phân phối thuốc 9

1.2.2 Vi hạt 10

1.2.3 Thành phần của vi hạt 11

1.2.4 Các phương pháp chế tạo vi hạt 13

1.2.5 Các cơ chế giải phóng dược chất của vi hạt 15

1.3 Thiết bị vi lưu 17

1.3.1 Giới thiệu chung về thiết bị kênh dẫn vi lưu 17

1.3.2 Các nguyên tắc cơ bản của thiết bị vi lưu 18

1.3.3 Ứng dụng thiết bị vi lưu trong chế tạo vi hạt 19

1.4 Alginate 20

1.4.1 Nguồn gốc 20

1.4.2 Cấu trúc 21

1.4.3 Tính chất lý hóa 21

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 27

2.1 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 27

2.1.1 Thiết bị và dụng cụ 27

2.1.2 Hóa chất 28

2.2 Chế tạo vi hạt alginate mang vorinostat 29

2.3 Xác định hiệu suất mang vorinostat của hệ vi hạt alginate 31

2.4 Nghiên cứu độ hòa tan 31

2.5 Nghiên cứu giải phóng thuốc in vitro 32

2.5.1 Phương pháp sử dụng màng thẩm tách 32

2.5.2 Xử lý màng thẩm tách 33

2.5.3 Thí nghiệm giải phóng thuốc in vitro 33

2.6 Nghiên cứu tác dụng độc tế bào in vitro của hệ vi hạt alginate – vorinostat với một số dòng tế bào ung thư 34

2.7 Nghiên cứu độc tính cấp của hệ vi hạt alginate – vorinostat 35 2.8 Nghiên cứu độc tính bán trường diễn của hệ vi hạt alginate – vorinostat 36

2.9 Một số phương pháp phân tích 36

2.9.1 Kính hiển vi quang học (inverted microscope) 36

2.9.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 36

2.9.3 Lập bản đồ nguyên tố bằng quang phổ tán xạ năng lượng (EDS mapping) 37

2.9.4 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) 37

2.9.5 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

3.1 Đặc điểm của vi hạt alginate mang vorinostat 39

3.2 Hàm lượng mang vorinostat của vi hạt alginate 43

3.3 Giải phóng in vitro vorinostat từ các vi hạt alginate 46

3.4 Tác dụng độc tế bào in vitro của vi hạt mang vorinostat với một số dòng tế bào ung thư 48

3.5 Độc tính cấp của vi hạt mang vorinostat 51

3.6 Độc tính bán trường diễn của vi hạt mang vorinostat 53

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC HÌNH VẼ Chương 1

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của vorinostat 4Hình 1.2 Vorinostat ức chế hoạt động HDAC bằng cách liên kết với túi enzyme Phần hydroxamic acid của vorinostat liên kết với một nguyên tử kẽm (màu hồng), phần còn lại của phân tử nằm dọc theo bề mặt của protein [8] 5Hình 1.3 Các cấu trúc vi hạt [44] 11Hình 1.4 Cơ chế giải phóng thuốc trong vi hạt [48] 16Hình 1.5 Công nghệ vi lỏng để tổng hợp các vật liệu dạng hạt Các nguyên tắc và các loại thiết bị với chế độ dòng chảy khác nhau để tạo giọt, bao gồm điểm nối T (a); dòng chảy tập trung (b); đồng trục (c) [75] 18Hình 1.6 Cấu trúc hóa học của khối G, khối M và khối xen kẽ trong alginate [83] 21Hình 1.7 Mô hình “Hộp trứng” của quá trình gel hóa alginate bằng tương tác ion giữa các ion COO- trong các gốc guluronate của phân tử alginate và ion Ca2+ [52] 22Hình 1.8 Ảnh hưởng của pH đến phân tử alginate [52] 23Hình 1.9 (a) Cấu trúc hóa học của alginate bị oxy hóa một phần (các nhóm aldehyde được tạo ra sau phản ứng oxy hóa được đánh dấu bằng màu đỏ) và (b) hành vi phân hủy của alginate ở các độ pH khác nhau (○, pH 4,5; □, pH 7,4; ●, pH 9,2) [111] 26

Chương 2

Hình 2.1 a) Thiết bị vi lưu tập trung dòng chảy; (b) sơ đồ chế tạo vi hạt calcium alginate mang vorinostat; (c) sơ đồ hình thành các vi giọt sodium alginate mang vorinostat 30Hình 2.2 Hệ thống thực nghiệm chế tạo vi hạt alginate mang vorinostat 30Hình 2.3 Thí nghiệm nghiên cứu giải phóng thuốc bằng phương pháp sử dụng màng thẩm tách 33

Chương 3

Hình 3.1 Sự hình thành các vi giọt alginate trong thiết bị (a, b) và các vi hạt alginate được chế tạo thành công (c, d) khi không mang và có mang vorinostat 39Hình 3.2 Quá trình gel hóa vi giọt sodium alginate trong dung dịch CaCl2 40Hình 3.3 Phân bố kích thước của vi hạt alginate – VOR 41Hình 3.4 Hình ảnh thu được qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) với độ phóng đại gấp 500 lần của vi hạt alginate nguyên bản (a) và vi hạt alginate mang vorinostat (b) 41Hình 3.5 Kết quả EDS – Mapping thể hiện sự phân bố của các nguyên tố hóa học trên vi hạt alginate có mang vor đã bị cắt đôi a) Ảnh SEM; b), c), d), e) lần lượt là

sự phân bố của các nguyên tố C, O, Ca và N trong vi hạt alginate có mang vorinostat 42

Hình 3.6 Giản đồ DSC của vi calcium alginate, vorinostat tự do và vi hạt calcium alginate-vorinostat 43Hình 3.7 Quang phổ UV-Vis của vorinostat hòa tan trong methanol (188 mg/mL)

ở các tỷ lệ pha loãng khác nhau (a) Mối quan hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ Vis và nồng độ vorinostat (b) 44Hình 3.8 Độ hòa tan trong nước của vorinostat tự do và vorinostat trong vi hạt 46Hình 3.9 Quang phổ UV-Vis của vorinostat hòa tan trong PBS (pH 7,4) (300 mg/mL) ở các tỷ lệ pha loãng khác nhau (a) Mối quan hệ tuyến tính giữa độ hấp thụ UV-Vis và nồng độ vorinostat (b) 46Hình 3.10 Hồ sơ giải phóng vorinostat tự do và vorinostat trong vi hạt alginate 48Hình 3.11 Độc tính tế bào in vitro của vi hạt nguyên bản, vorinostat và vi hạt mang vorinostat trên dòng tế bào HepG2 (a), SK-Lu-1 (b), MCF-7 (c) và giá trị IC50 của các mẫu thử trên các dòng tế bào ung thư (d) 50Hình 3.12 Ảnh hưởng của mẫu đến một số chỉ số huyết học 55Hình 3.13 Ảnh hưởng của mẫu đến hoạt độ một số enzyme trong gan và thận 56Hình 3.14 Hình ảnh đại thể gan, thận, lách của lô đối chứng sinh học (a), Vi hạt alginate-VOR liều 500 mg/kg (b), Vi hạt alginate-VOR liều 250 mg/kg (c) 57Hình 3.15 Ảnh hưởng của mẫu đến kết quả mổ giải phẫu một số cơ quan nội tạng 58

UV-DANH MỤC BẢNG Chương 1

Bảng 1.1 Một số hệ thống bao bọc vật lý vorinostat 7

Bảng 1.2 Một số phương pháp liên hợp hóa học vorinostat 9

Bảng 1.3 Đặc điểm của các bộ phận trong đường tiêu hóa của con người [47] 10

Chương 2 Bảng 2.1 Thiết bị và dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu 27

Bảng 2.2 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 28

Chương 3 Bảng 3.1 Kết quả đo UV-Vis và tính toán hàm lượng mang vorinostat của vi hạt alginate 44

Bảng 3.2 Hàm lượng vorinostat giải phóng trong dung dịch PBS (pH 7,4) 47

Bảng 3.3 Hoạt tính gây độc tế bào ở các mẫu nghiên cứu 49

Bảng 3.4 Số lượng chuột chết, biểu hiện bên ngoài của chuột thí nghiệm 51

Bảng 3.5 Kết quả theo dõi khối lượng của chuột ở các lô 52

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của mẫu đến thể trọng chuột 54

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của mẫu đến chức năng tạo máu của chuột 54

Bảng 3.8 Hoạt độ AST, ALT và creatinine trong máu chuột 56

Bảng 3.9 Kết quả mổ giải phẫu các cơ quan nội tạng 57

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 CTCL Cutaneous T-cell lymphoma – Ung thư lympho tế bào T ở

da

2 VOR Vorinostat

3 FDA Food and Drug Administration – Cục quản lý Thực phẩm

và Dược phẩm Hoa Kỳ

4 HDAC Histone deacetylase

5 SAHA Suberoylanilide hydroxamic acid

6 HAT Histone acetyltransferase

7 Cmax Nồng độ tối đa trung bình

8 SD Standard deviation – độ lệch chuẩn

9 tmax Thời gian trung bình để đạt Cmax

10 AUC Concentration - time curve – đường cong nồng độ - thời

gian

11 Clapp Apparent clearance – Độ thanh thải biểu kiến

12 PLGA Poly(lactic-co-glycolic acid)

13 PEG Polyethylene glycol

14 PCL Polycaprolacton

15 PEO Polyethylene glycol

16 POO Poly(p-phenylene oxide)

17 PDMS Polydimethylsiloxane

18 M β-D-mannuronic acid

19 G α-L-guluronic acid

20 EE% Encapsulation efficiency – hiệu suất bao bọc

21 MWCO Molecular weight cut-off – giới hạn trọng lượng phân tử

22 PBS Dung dịch đệm phosphate – phosphate-buffered saline

23 NCI National Cancer Institute – Viện Ung thư Quốc gia Hoa

27 DSC Nhiệt lượng quét vi sai – Differential scanning calorimetry

28 CV Coefficient of variation – hệ số biến thiên

29 Qc Tốc độ dòng pha liên tục

30 Qd Tốc độ dòng pha phân tán

MỞ ĐẦU

Vorinostat là một chất ức chế enzyme histone deacetylase, có cấu trúc thuộc nhóm hydroxymate, được Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (Food and Drug Administration – FDA) chấp thuận như một thuốc điều trị ung thư lympho tế bào

T ở da [1] Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vorinostat có thể ức chế sự phát triển của khối u bằng cả đường uống và đường tiêm trong ung thư tuyến tiền liệt [2], bệnh bạch cầu [3], ung thư vú [4], u thần kinh đệm [5], và ung thư phổi [6] Tuy nhiên, sinh khả dụng của vorinostat rất thấp Hiệu quả lâm sàng của vorinostat bị hạn chế bởi độ tan trong nước kém và độ thẩm thấu thấp [7] Các thông số này đã hạn chế sinh khả dụng tuyệt đối của thuốc khi lưu thông trong hệ tuần hoàn, dẫn đến cần dùng liều uống cao hơn hoặc tần suất dùng thuốc nhiều hơn mới có thể đạt được hiệu quả điều trị Bên cạnh một số tính chất hóa lý kém, việc sử dụng các thuốc ung thư theo đường uống cũng cần phải vượt qua một số rào cản sinh lý như chuyển hóa giai đoạn ban đầu, sự bất ổn định trong đường tiêu hóa để có thể đạt được hiệu quả điều trị cao Hơn nữa, khả năng hòa tan hạn chế của vorinostat có thể dẫn đến hình thành các tập hợp trong huyết tương sau khi tiêm, gây ra thuyên tắc trước khi đạt đến khối u mục tiêu [8] Để khắc phục những nhược điểm này, cần tìm ra phương pháp để tăng sinh khả dụng của vorinostat Một số nghiên cứu đã được thực hiện, chỉ ra các hệ phân phối vorinostat cải thiện rõ rệt thời gian lưu thông trong huyết tương và giảm tốc độ thải trừ thuốc khỏi cơ thể Tuy nhiên, chưa có hướng nghiên cứu nào cải thiện một cách hiệu quả các tính chất hóa lý và tăng sinh khả dụng đường uống của vorinostat Do vậy cần tìm ra một hệ thống phân phối thuốc hiệu quả hơn

Alginate là một trong những polymer phổ biến trong các hệ phân phối thuốc Đây là một polysaccharide rẻ, sẵn có, không độc hại, đã có nhiều ứng dụng trong ngành dược phẩm cũng như thực phẩm Với khả năng hòa tan trong nước, khả năng bám dính niêm mạc, chuyển tiếp sol-gel, ái lực với các ion hóa trị hai và dễ dàng thay đổi hóa học

để điều chỉnh các đặc tính làm cho alginate trở thành một polymer đầy hứa hẹn cho ứng dụng giải phóng thuốc có kiểm soát [9, 10] Có nhiều phương pháp để tạo vi hạt hydrogel alginate như phương pháp phun khô, trùng hợp, tạo nhũ tương Tuy nhiên, các phương pháp này đều khó kiểm soát kích thước hạt và không thể đạt được độ phân bố kích thước hạt đồng đều cao Trong khi đó các thông số này lại vô cùng quan trọng trong việc sử dụng các vi hạt như một chất mang thuốc Để giải quyết các nhược điểm này, sử dụng thiết bị kênh dẫn vi lưu để chế tạo vi hạt làm chất dẫn thuốc với các ưu điểm như: độ chính xác cao, dễ dàng điều khiển và khống chế độ đồng đều của kích thước hạt là phương pháp phù hợp, đưa ra những kết quả đầy hứa hẹn Theo các tài liệu đã công bố, cho đến nay chưa có nghiên cứu sử dụng thiết bị vi lưu và alginate làm chất mang trong

hệ thống vận chuyển vorinostat

Với ý nghĩa đó, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng nhả chậm và hoạt

tính gây độc tế bào của hệ vi hạt alginate mang vorinostat” với mong muốn mở ra một

cách tiếp cận mới về việc ứng dụng thiết bị vi lưu chế tạo vi hạt alginate ứng dụng làm

hệ vận chuyển vorinostat để cải thiện sinh khả dụng của thuốc

Mục tiêu và nội dung được đặt ra cho luận văn thạc sĩ này là:

1 Nghiên cứu chế tạo vi hạt micro alginate mang vorinostat

2 Nghiên cứu tối ưu hóa hàm lượng mang vorinostat

3 Nghiên cứu khả năng nhả chậm của vorinostat trong vi hạt alginate

4 Đánh giá hoạt tính gây độc tế bào in vitro và ứng dụng của hệ vi hạt alginate

mang vorinostat

5 Đánh giá độc tính cấp và độc tính bán trường diễn của hệ vi hạt alginate mang vorinostat

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vorinostat

1.1.1 Ung thư lympho tế bào T

Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng các bệnh không lây nhiễm là nguyên nhân gây ra hơn 75% số ca tử vong sớm Thống kê cho thấy cứ 10 ca tử vong do bệnh không lây nhiễm thì 4 ca do bệnh tim mạch, 3 ca do ung thư [11] Vào năm 2020, 19,3 triệu ca ung thư mới được chẩn đoán và 10 triệu ca tử vong do căn bệnh này được ghi nhận trên toàn thế giới Tỷ lệ mắc bệnh ung thư và tỷ lệ tử vong do ung thư đang gia tăng nhanh chóng Điều này được giải thích một phần bởi sự già hóa và gia tăng dân số cũng như

sự phát triển kinh tế xã hội

Ung thư lympho tế bào T ở da (Cutaneous T-cell lymphoma - CTCL) mô tả một nhóm u lympho tế bào T hiếm và không đồng nhất biểu hiện chủ yếu ở da [12] CTCL được gây ra bởi sự tăng sinh của các tế bào T trưởng thành xâm nhập vào da và thường được đặc trưng bởi bệnh nấm mycosis hoặc hội chứng Sézary Nấm mycosis là dạng phổ biến nhất của CTCL, tiến triển chậm với các triệu chứng là xuất hiện vảy, các mảng hoặc khối u có vảy trên bề mặt da, kèm theo ngứa Hội chứng Sézary là một dạng CTCL nặng hơn Các đặc điểm của hội chứng Sézary bao gồm ban đỏ da và các khối u ở da, hình thành các tế bào T ác tính [12]

Các chỉ số tiên lượng của CTCL bao gồm mức độ tổn thương da và mức độ tổn thương hạch bạch huyết hoặc nội tạng, được mô tả theo các giai đoạn kế tiếp nhau [13] Biểu hiện của giai đoạn Ia CTCL là dưới 10% bề mặt da xuất hiện vẩy hoặc các mảng Ở giai đoạn Ib, trên 10% bề mặt da bị bao phủ bởi vẩy hoặc các mảng Giai đoạn IIa CTCL

có hiện tượng lan rộng tổn thương da và xuất hiện nhiều hạch bạch huyết Giai đoạn IIb chỉ khác do xuất hiện một hoặc nhiều khối u ở da Chẩn đoán CTCL giai đoạn III là đỏ phần lớn da và xuất hiện các tổn thương da Ở giai đoạn IIa–III CTCL, các hạch bạch huyết có thể to ra nhưng ung thư chưa lan đến chúng Ở giai đoạn IVa CTCL, da đỏ và xuất hiện tổn thương da (như mô tả ở giai đoạn III) cùng với ung thư lan đến các hạch bạch huyết Cuối cùng, biểu hiện của CTCL giai đoạn IVb là đỏ da, tổn thương da và lây lan ung thư đến các cơ quan khác Các cơ quan thường bị ảnh hưởng nhất là phổi, lá lách và gan [12] Hạn chế tổn thương da và đáp ứng hoàn toàn với trị liệu là các yếu tố quan trọng nhất đến ảnh hưởng đến kết quả điều trị tích cực [14]

Phương pháp và mức độ điều trị đề xuất cho CTCL phụ thuộc vào giai đoạn lâm sàng của bệnh, tiên lượng và đầu vào từ bệnh nhân Đối với CTCL giai đoạn đầu ít tổn thương da, điều trị tại chỗ bằng corticosteroid là cách xử trí ban đầu được ưu tiên [15] Phương pháp này có thể được kết hợp với mechlorethamine, carmustine và

retinoids tại chỗ như 13-cis axit retinoic và tazarotene Quang trị liệu bằng Psoralen và

tia cực tím A hoặc liệu pháp chùm tia điện tử toàn bộ da (total-skin electron beam therapy) có thể có hiệu quả khi dùng riêng lẻ hoặc kết hợp với các liệu pháp điều trị tại chỗ khác Khi bệnh nhân có tổn thương lan rộng hơn thường cần điều trị toàn thân Bexarotene hoặc interferon có thể được sử dụng như một liệu pháp toàn thân đầu tiên Có thể sử dụng arabinosyl guanine, forodesine, fludarabine, chlorodeoxyadenosine, denileukin diftitox, methotrexate uống, doxorubicin,

gemcitabine, etoposide, pentostatin, bortezomib, cyclophosphamide, vincristine hoặc prednisolone đơn trị liệu hoặc kết hợp cho bệnh nhân tiến triển sau điều trị bước đầu Mặc dù nhiều phương pháp điều trị trong số này có hiệu quả, nhưng hầu hết bệnh nhân CTCL nhanh chóng bị kháng thuốc với các thuốc thông thường [12]

Do đó, các loại thuốc mới đã được phát triển nhằm vào các bất thường biểu sinh liên quan đến CTCL Một loại thuốc như vậy là vorinostat (Zolinza, Merck and Co.), đã được FDA phê duyệt vào năm 2006 để điều trị CTCL ở những bệnh nhân mắc bệnh tiến triển, dai dẳng hoặc tái phát sau khi nhận hai liệu pháp toàn thân [14]

1.1.2 Vorinostat

1.1.2.1 Giới thiệu chung về vorinostat

Vorinostat là một chất ức chế histone deacetylase (HDAC), có cấu trúc thuộc nhóm hydroxamate Các loại thuốc khác trong nhóm này bao gồm Givinuler, Abexinuler, Panobinuler, Belinuler và Trichostatin A Đây là nhóm thuốc khẩn cấp có khả năng chống ung thư Những thuốc này được phát triển với nhận thức rằng ngoài đột biến gen, sự thay đổi của các enzyme HDAC ảnh hưởng đến biểu hiện kiểu hình và kiểu gen trong tế bào, từ đó dẫn đến rối loạn cân bằng nội môi và tăng trưởng khối u Chất

ức chế HDAC có nhiều tác dụng in vivo và in vitro cụ thể cho các loại tế bào, chẳng hạn

như kìm hãm sự phát triển, ảnh hưởng đến sự biệt hóa tế bào và gây ra quá trình chết theo chương trình hoàn toàn của các tế bào ác tính Những loại thuốc này có thể được

sử dụng cả dưới dạng đơn trị liệu và kết hợp với các loại thuốc chống ung thư khác Vorinostat là một loại thuốc được FDA phê chuẩn cho bệnh ung thư hạch tế bào T ở da (CTCL) [1, 15]

1.1.2.2 Tính chất lý hóa

Vorinostat còn được gọi là suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) hoặc Zolinza® là một chất ức chế HDAC loại I và II Vorinostat là một hợp chất hydroxamic

acid mạch thẳng có trọng lượng phân tử nhỏ, tên IUPAC là:

N-hydroxy-N′-phenyloctanediamide, công thức phân tử là C14H20N2O3 và trọng lượng phân tử là 264,32 g/mol, pKa xấp xỉ 9 [15]

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của vorinostat

Vorinostat ít tan trong nước, rượu, isopropanol và acetone, tan hoàn toàn trong dimethyl sulfoxide [15]

1.1.2.3 Cơ chế tác dụng

Vorinostat thuộc phân lớp hydroxamic acid của chất ức chế histone deacetylase (HDAC) Vorinostat ức chế các enzym HDAC loại I và loại II Tuy nhiên, vorinostat không ức chế các HDAC thuộc loại III [16]

Về cơ chế tác dụng, vorinostat (VOR) đã được chứng minh là liên kết với vị trí hoạt động của enzyme HDAC và hoạt động như một chất tạo phức với các ion kẽm trong

vùng hoạt động của HDAC Như trong hình 1.2, đầu hydroxamic của phân tử VOR liên kết với nguyên tử kẽm ở vị trí hoạt động của HDAC, vòng phenyl của VOR nhô ra khỏi túi xúc tác đến bề mặt HDAC Vorinostat ức chế HDAC dẫn đến sự tích tụ của histone

và protein đã bị acetyl hóa, bao gồm các yếu tố phiên mã quan trọng cho sự biểu hiện của gen cần thiết để tạo ra sự biệt hóa của tế bào [14, 17]

Hình 1.2 Vorinostat ức chế hoạt động HDAC bằng cách liên kết với túi enzyme Phần hydroxamic acid của vorinostat liên kết với một nguyên tử kẽm (màu hồng), phần còn lại của

phân tử nằm dọc theo bề mặt của protein [17]

Cơ chế sinh hóa chính của VOR là điều chỉnh sự cân bằng bất thường giữa các histone bị acetyl hóa và khử acetyl hóa, các protein liên quan đến cấu trúc và tổ chức của chất nhiễm sắc Quá trình acetyl hóa và khử acetyl histone thích hợp được xúc tác bởi histone acetyltransferase (HAT) và HDAC tương ứng rất quan trọng để điều chỉnh biểu hiện gen Histone đã được acetyl hóa bởi HAT có điện tích trung tính và do đó có

ái lực thấp với DNA tích điện âm, làm cho cấu trúc chất nhiễm sắc bị giãn ra và diễn ra quá trình phiên mã Ngược lại, khi quá trình acetyl hóa histone bị đảo ngược bởi HDAC, các histone tích điện dương cuộn chặt DNA, vô hiệu hóa quá trình phiên mã [14]

Một số bệnh ung thư, đặc biệt là ung thư có nguồn gốc từ huyết học và biểu mô (ví dụ: CTCL), có liên quan đến quá trình giảm acetyl hóa, giảm biểu hiện của các gen chịu trách nhiệm biệt hóa tế bào, kiểm soát chu kỳ tế bào, quá trình chết theo chương trình và ức chế khối u Sự liên kết của VOR với vị trí hoạt động của các loại HDAC cụ thể sẽ ức chế hoạt động của các enzyme, gây ra quá trình tăng acetyl hóa của histone và phiên mã các gen chịu trách nhiệm ngăn ngừa quá trình sinh ung thư và phát sinh khối

u [14]

Vorinostat tương đối chọn lọc đối với các tế bào ung thư Mặc dù tác dụng dược

lý của VOR tập trung vào vai trò là chất điều hòa phiên mã gen, nhưng nó có thể phát huy tác dụng điều trị thông qua các cơ chế gián tiếp khác Một số cơ chế được đề xuất bao gồm sự thay đổi chức năng của vi ống hoặc tín hiệu tạo mạch và kích thích phản ứng miễn dịch thông qua biểu hiện của các kháng nguyên phức hợp tương hợp mô chính trên các tế bào khối u [14]

1.1.2.4 Dược động học

Các nghiên cứu dược động học về liều vorinostat dùng đường uống với liều dùng 200-600 mg đã chứng minh mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ trong huyết tương của vorinostat và liều lượng [7]

Vorinostat liên kết vừa phải (71%) với protein trong huyết tương, chủ yếu là liên kết với albumin Nồng độ tối đa trung bình (Cmax) ± SD (standard deviation – độ lệch chuẩn) trong huyết tương là 658 ± 439 ng/mL, với thời gian trung bình để đạt Cmax

(tmax) là 106 phút Giá trị trung bình ± SD diện tích dưới đường cong nồng độ – thời gian (concentration - time curve – AUC), thời gian bán thải (t½) và độ thanh thải biểu kiến (apparent clearance – CLapp) lần lượt là 101,856 ±105,570 ng/mL·phút, 88,9 ± 20,5 phút

và 4,409 ± 2,682 mL/phút, tương ứng Cmax và AUC tăng tỷ lệ thuận với liều lượng tăng, trong khi tmax, t½ và CLapp không đổi Sinh khả dụng lúc đói là 43% Sự hấp thụ và sinh khả dụng của vorinostat không khác biệt đáng kể khi không có hoặc có thức ăn [14]

Vorinostat được chuyển hóa và bài tiết sau quá trình glucuronid hóa bởi uridine diphosphate glucuronosyltransferase (UGT) hoặc thủy phân sau đó oxi hóa Các chuyển hóa xảy ra chủ yếu ở gan và một phần ở thận Vorinostat được thải trừ chủ yếu thông qua quá trình trao đổi chất, chỉ có một lượng nhỏ hơn 1% đào thải nguyên vẹn trong nước tiểu Cân nặng, chủng tộc, giới tính và tuổi không có ảnh hưởng về mặt lâm sàng đến dược động học của VOR Tính đa hình trong mã hóa gen cho hệ thống enzyme

UGT1A1 có thể là một yếu tố dự báo quan trọng về độc tính và mức độ đáp ứng của

vorinostat ở từng bệnh nhân [7, 18]

1.1.2.5 Chỉ định và liều dùng

Vorinostat là một loại thuốc được FDA phê chuẩn cho bệnh CTCL [15] Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vorinostat có thể ức chế sự phát triển của khối u bằng cả đường uống và đường tiêm trong ung thư tuyến tiền liệt [2], bệnh bạch cầu [3], ung thư

vú [4], u thần kinh đệm [5], và ung thư phổi [6]

Liều lượng đã được phê duyệt của vorinostat là 400 mg uống mỗi ngày một lần [1] Với liều lượng này, tỷ lệ đáp ứng được ghi nhận là 31% với rất ít tác dụng phụ đe dọa đến tính mạng Tuy nhiên, nếu tác dụng phụ trở nên nghiêm trọng, có thể giảm liều xuống 300 mg mỗi ngày một lần Ở những bệnh nhân dùng vorinostat 300 mg hai lần mỗi ngày, tỷ lệ đáp ứng tổng thể chỉ là 21% với các tác dụng phụ như thuyên tắc phổi

và giảm tiểu cầu

Vorinostat được sản xuất dưới dạng viên nang 100 mg để sử dụng đường uống Tuy nhiên, một công thức truyền tĩnh mạch đã được phân tích tương đối về độ hiệu quả

và an toàn [19] Tỷ lệ phản hồi đối với truyền tĩnh mạch vorinostat 300-600 mg/m2, dùng 5 ngày/tuần trong 3 tuần tương tự như liều uống 400 mg mỗi ngày Tuy nhiên, các tác dụng phụ nghiêm trọng về huyết học khá phổ biến ở những bệnh nhân sử dụng vorinostat truyền tĩnh mạch Sự bất tiện của việc tiêm hàng ngày cũng khiến sử dụng đường uống phù hợp hơn trong điều trị CTCL

1.1.2.6 Tác dụng phụ

Độc tính của VOR đã được nghiên cứu khi dùng liều vượt quá 400 mg mỗi ngày, lợi ích lâm sàng của việc tăng liều rất nhỏ Với liều lượng được FDA chấp thuận,

các tác dụng phụ thường gặp nhất bao gồm mệt mỏi, tiêu chảy và buồn nôn Những tác dụng phụ này thường từ nhẹ đến trung bình, không cần can thiệp hoặc can thiệp không xâm lấn Các tác dụng phụ khác đe dọa đến tính mạng và cần phải nhập viện bao gồm giảm tiểu cầu, mất nước, thuyên tắc phổi, ung thư biểu mô tế bào vảy và thiếu máu nặng [20] Cũng đã có báo cáo về việc kéo dài khoảng QTc ở một số bệnh nhân dùng VOR [21] Do đó, những bệnh nhân đang dùng thuốc chống loạn nhịp tim nên được kiểm tra thường xuyên khi dùng VOR VOR là thuốc loại D trong thai kỳ Một nghiên cứu trên động vật cho thấy VOR đi qua nhau thai và có thể gây hại cho thai nhi đang phát triển [22] Các dị tật phổ biến nhất là thai nhi nhẹ cân và cốt hóa không hoàn chỉnh hộp sọ, đốt sống và các xương khác của bộ xương trục

1.1.3 Hệ phân phối thuốc vorinostat

Sinh khả dụng của VOR là thấp Hiệu quả lâm sàng của VOR đã bị hạn chế bởi

độ tan trong nước kém (0,2 mg/mL) và độ thẩm thấu thấp (log P: 1,9), dẫn đến VOR được xếp vào lớp IV của hệ thống phân loại sinh học (BCS) [7] Ngoài ra, VOR bị chuyển hóa giai đoạn 1 ở gan Các thông số này đã hạn chế sinh khả dụng tuyệt đối của thuốc khi lưu thông trong hệ tuần hoàn, dẫn đến đòi hỏi cần liều uống cao hơn hoặc tần suất dùng thuốc nhiều hơn mới có thể đạt được hiệu quả điều trị Bên cạnh một số tính chất hóa lý kém, việc sử dụng các thuốc ung thư theo đường uống cũng cần phải vượt qua một số rào cản sinh lý như các chuyển hóa giai đoạn ban đầu, sự bất ổn định của đường tiêu hóa để có thể đạt được hiệu quả điều trị cao Hơn nữa, khả năng hòa tan hạn chế của VOR có thể dẫn đến sự hình thành các tập hợp trong huyết tương sau khi tiêm, gây ra thuyên tắc trước khi đạt đến khối u mục tiêu [8] Để khắc phục những nhược điểm này, cần tìm ra phương pháp để tăng sinh khả dụng của VOR như bao bọc vật lý vào các

hệ thống phân phối vi hạt, hạt nano hoặc liên hợp hóa học với các phân tử hữu cơ khác

1.1.3.1 Bao bọc vật lý

Việc bao bọc vật lý vào các chất mang vi hạt, hạt nano không làm thay đổi cấu trúc hóa học của các hợp chất thuốc Phương pháp bao bọc vật lý đặc biệt quan trọng đối với thuốc kỵ nước vì nó mang lại một số ưu điểm như tăng cường khả năng hòa tan

và sinh khả dụng, thời gian lưu thông kéo dài và tăng cường tích lũy chọn lọc khối u [23] Bảng 1.1 tóm tắt về các hợp chất mang phân phối vorinostat

Bảng 1.1 Một số hệ thống bao bọc vật lý vorinostat

Các loại

hạt nano

Phương pháp tiếp cận chất mang

Hạt nano PLGA in vitro,

in vivo

Khả năng tương thích sinh học tốt; tăng cường hấp thu vào tế bào ung thư phổi

[25]

Hạt nano PLGA in vitro Tăng cường độc tính tế bào [26]

Hạt nano PLGA in vitro,

in vivo Giảm kích thước khối u [27]

Tăng cường độc tế bào;

giảm kích thước khối u [29]

PEO-b-in vitro,

in vivo

Giảm kích thước khối u;

giảm độc tính trên thận và gan

Tăng cường độ hòa tan, tính thấm và độc tế bào [36]

1.1.3.2 Liên hợp hóa học

Nói chung, các phương pháp bao bọc vật lý hợp chất thuốc có một số hạn chế bao gồm hàm lượng thuốc thấp, hiệu quả bao bọc không đồng đều và giải phóng thuốc không được kiểm soát [37] Để khắc phục những hạn chế này, các phân tử thuốc có thể được liên hợp hóa học với các loại thuốc, polymer khác… để tạo thành các tiền chất có khả năng tự lắp ráp thành các hạt giải phóng thuốc từ bên trong vị trí khối u để tránh tác dụng phụ ngoài mục tiêu Hơn nữa, môi trường vi mô khối u được đặc trưng bởi các điều kiện khác với các điều kiện của các mô khỏe mạnh, chẳng hạn như độ pH axit, nồng

độ enzyme bất thường và tăng các gốc oxygen tự do [38] Do đó, các hạt nano đáp ứng với môi trường vi mô khối u đã trở thành một nền tảng ngày càng hấp dẫn để nhắm mục tiêu thụ động vào các vị trí khối u

Bảng 1.2 Một số phương pháp liên hợp hóa học vorinostat

in vitro Tăng cường độc tế bào; không có

tác dụng lên đại thực bào [39]

in vitro Tăng cường độc tế bào; giảm kích

thước của khối u chính [43]

Hiện nay chưa có cách tiếp cận nào trong các phương pháp nêu trên cải thiện được các tính chất hóa lý hoặc dược lý của VOR đến mức thỏa đáng Do vậy cần có một phương pháp phù hợp để dẫn thuốc hiệu quả hơn Theo các tài liệu đã công bố, cho đến nay chưa có các nghiên cứu nào về việc sử dụng thiết bị vi lưu để chế tạo alginate làm chất mang VOR

1.2 Hệ phân phối thuốc bằng vi hạt

1.2.1 Hệ phân phối thuốc

Công nghệ phân phối thuốc có kiểm soát là một trong những lĩnh vực khoa học tiên phong, tiếp cận khoa học đa ngành, góp phần chăm sóc sức khỏe con người Các hệ phân phối này mang lại nhiều lợi thế so với các dạng bào chế thông thường như: cải thiện hiệu quả, giảm độc tính của thuốc, tăng sự tuân thủ và thuận tiện của bệnh nhân Những hệ thống như vậy thường sử dụng các đại phân tử làm chất mang thuốc Lĩnh vực công nghệ dược phẩm này đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây [44, 45]

Mục đích chính của việc sử dụng hệ thống phân phối thuốc không chỉ là cung cấp hợp chất có hoạt tính sinh học một cách được kiểm soát (thời gian và tốc độ giải phóng) mà còn để duy trì nồng độ thuốc trong cơ thể trong khoảng thời gian điều trị Bên cạnh đó, người ta có thể hướng thuốc tới một cơ quan hoặc mô cụ thể (phân phối thuốc theo mục tiêu) [46]

Việc phát triển thuốc mới rất tốn kém và mất thời gian Vì vậy người ta đã cố gắng cải thiện hiệu quả và an toàn của các loại thuốc “cũ” bằng các phương pháp khác nhau như điều trị cá nhân, theo dõi thuốc điều trị và phân phối thuốc có mục tiêu với tốc

độ được kiểm soát Động lực chính để đổi mới trị liệu là cải thiện chỉ số điều trị của

thuốc Phần lớn các loại thuốc được sử dụng lâm sàng trong thực tế là các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, thường nhỏ hơn 500 g/mol, có thời gian bán hủy ngắn trong máu và tốc độ thanh thải tổng thể cao Chúng nhanh chóng khuếch tán vào các mô khỏe mạnh và phân bố đều trong cơ thể Kết quả là, chỉ một lượng thuốc nhỏ đến được vị trí mục tiêu và việc điều trị gây ra tác dụng phụ

Trong điều trị ung thư, bao gói thuốc trong chất mang micro, nano tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển chúng trong tuần hoàn đến mô ung thư, ức chế quá trình phân hủy sinh học nhanh chóng và cải thiện sinh khả dụng của chúng Hơn nữa, các chất mang kết hợp với các loại thuốc giúp tăng thời gian bán hủy, tăng hiệu quả của thuốc và cho phép sử dụng liều lượng thấp hơn

Trong các con đường vận chuyển thuốc khác nhau, đường uống thu hút nhiều

sự chú ý nhất do những ưu điểm độc đáo của nó bao gồm: giải phóng thuốc bền vững

và có kiểm soát, dễ sử dụng, khả thi với thuốc dạng rắn, bệnh nhân dễ tuân thủ Ngoài

ra, diện tích bề mặt lớn (>300 m2 ) được lót bằng lớp nhầy niêm mạc tăng khả năng bám dính và hấp thu thuốc [47] Hơn nữa, các phân tử thuốc được chất nhầy bảo vệ khỏi sự phân hủy do dịch dạ dày [48] Biểu mô của ruột người có khả năng hấp thụ cao do có nhiều tế bào ruột ở các phần khác nhau của ruột, đặc biệt là các tế bào vi nếp gấp (tế bào M) bao phủ các mảng Peyer, đoạn bạch huyết của ruột non Tuy nhiên, so với các đường khác, cơ chế hấp thu của thuốc đường uống phức tạp hơn Thuốc uống cần hòa tan trong dịch vị để có thể hấp thu ở dạ dày, ruột non hoặc đại tràng (bảng 1.3) Thuốc dùng đường uống có thể được hấp thu theo 4 con đường: xuyên tế bào, cận tế bào, qua trung gian chất mang và vận chuyển thuận lợi Trong số các con đường này, xuyên tế bào là cơ chế chính Những thách thức về sự hấp thu/hiệu quả của thuốc bao gồm cả các rào cản ở gan sau khi chúng đi vào các mạch dưới biểu mô ruột Tóm lại, thuốc uống không áp dụng được trong trường hợp cấp cứu do khả năng hấp thu chậm cũng như các rào cản nhiều cấp độ mà chúng cần phải giải quyết [49]

Bảng 1.3 Đặc điểm của các bộ phận trong đường tiêu hóa của con người [49]

dài (cm)

Đường kính trung bình (cm)

Độ dày trung bình của chất nhầy (µm)

Luân chuyển chất nhầy (giờ)

1.2.2 Vi hạt

Về cơ bản, thuật ngữ “vi hạt” (microparticle) dùng để chỉ một hạt có đường kính 1-1000 μm “Vi cầu” (microspheres) dùng để chỉ cụ thể các vi hạt hình cầu bao gồm hỗn

hợp đồng nhất của chất hoạt động và polymer “Vi nang” (micro-capsules) chỉ các vi hạt

có lõi (chứa chất hoạt động) được phân định bởi một vật liệu khác bao quanh (thường

là polymer) Lõi có thể là chất rắn, chất lỏng, hoặc thậm chí chất khí Người ta thường giả định rằng vi cầu bao gồm một hỗn hợp khá đồng nhất của polymer và tác nhân hoạt động, trong khi vi nang có ít nhất một vùng riêng biệt của tác nhân hoạt động Một số biến thể về cấu trúc vi hạt được đưa ra trong hình 1.3 [44, 46]

Hình 1.3 Các cấu trúc vi hạt [50]

Các vi hạt, vi cầu và vi nang là thành phần phổ biến của hệ thống phân phối thuốc, mang nhiều lợi thế do cấu trúc, chức năng và ứng dụng của chúng phù hợp để phân phối thuốc và dễ dung nạp qua một số đường Tùy thuộc vào công thức và mục đích sử dụng, chúng có thể được kết hợp thành các dạng bào chế dược phẩm khác nhau như chất rắn (viên nang, viên nén), chất bán rắn (gel, kem, bột nhão) hoặc chất lỏng (dung dịch, hỗn dịch và thậm chí cả thuốc tiêm) Lợi thế của vi hạt so với các hạt nano

là kích thước hạt lớn hơn 100 nm, chúng không đi qua kẽ (interstitium) khi được vận chuyển bởi bạch huyết nên có thể có tác dụng tại chỗ [50]

Từ quan điểm của công nghệ, vi hạt cung cấp một số lợi thế: bảo vệ tác nhân có hoạt tính sinh học khỏi tác động của môi trường; che đi mùi vị khó chịu của thuốc; bảo quản các chất bay hơi; tách các chất không tương thích; bảo vệ cơ thể khỏi các tác dụng phụ; và tối ưu hóa, kéo dài thời gian tác dụng của thuốc Trong trường hợp đa hạt, liều lượng được phân phối thành nhiều hạt nhỏ riêng biệt, mang và giải phóng một phần Do

đó nếu một vài hạt nhỏ riêng lẻ có sự cố cũng không gây ảnh hưởng đến toàn bộ liều lượng Người ta cũng lập luận rằng hệ thống nhiều hạt phân bố trên một chiều dài lớn của đường tiêu hóa, điều này dẫn đến giảm nồng độ cục bộ và do đó giảm độc tính hoặc kích thích, giảm biến đổi trong thời gian phân phối và tăng tỷ lệ hấp thụ [50]

Do kích thước nhỏ nên vi hạt có thể được tiêm trực tiếp vào hệ tuần hoàn hoặc một khoang nhất định của cơ thể Quá trình này cho phép nồng độ thuốc cao tại chỗ và cũng có thể được điều chỉnh theo các đường dùng thay thế như hít hoặc dùng ngoài da nếu được duy trì đúng cách Các vi hạt ổn định, cho phép đóng gói cả thuốc kỵ nước và thuốc ưa nước Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến sự giải phóng thuốc từ vi hạt là bản chất của thuốc (bao gồm điện tích và độ đồng đều), kích thước và thành phần hạt và thậm chí cả các điều kiện xung quanh như pH và nhiệt độ [46]

1.2.3 Thành phần của vi hạt

1.2.3.1 Vật liệu phủ

Các hệ thống phân phối thuốc thường sử dụng các chất mang polymer hoạt động như “chất vận chuyển thuốc” Việc sử dụng chất mang cho phép khắc phục một số vấn

đề liên quan đến việc phát triển và ứng dụng các loại thuốc mới Mặc dù các phân tử có hoạt tính sinh học mới đang được phát hiện liên tục, tuy nhiên chúng có thể có những hạn chế nghiêm trọng như: đào thải thuốc nhanh chóng; khả năng hòa tan và phân phối sinh học kém ảnh hưởng đến sự tương tác của thuốc và vị trí tác dụng; độ hòa tan ở pH sinh lý thấp và hấp thu tế bào không đủ Việc sử dụng hệ phân phối thuốc có thể là một cách rất hiệu quả để vượt qua các rào cản này [46]

Một số polymer đã được cấp bằng sáng chế (patents) trong ứng dụng làm vật liệu phủ, đặc biệt là các polymer kết dính sinh học và bám dính niêm mạc Nhiều vật liệu phủ đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong đường tiêu hóa Chúng bao gồm các polymer trơ và các polymer nhạy cảm với pH dưới dạng cacboxylate và các dẫn xuất amine, trương nở hoặc hòa tan tùy theo mật độ liên kết ngang [44]

Việc lựa chọn vật liệu phủ thích hợp cần được nghiên cứu xem xét các tiêu chí chung sau: Các dạng bào chế cụ thể hoặc các yêu cầu của sản phẩm, chẳng hạn như độ

ổn định, độ bay hơi, đặc tính giải phóng và điều kiện môi trường là gì? Vật liệu phủ nào

sẽ đáp ứng các mục tiêu và yêu cầu của sản phẩm? Phương pháp vi bao nào là phù hợp nhất để đạt được các mục tiêu của sản phẩm được phủ?

Vật liệu phủ thích hợp quyết định các đặc tính vật lý và hóa học của các vi nang/vi hạt Polymer phải có khả năng tạo màng dính với vật liệu lõi Nó phải tương thích về mặt hóa học, không phản ứng với vật liệu lõi và cung cấp các đặc tính của lớp phủ mong muốn như độ bền, tính linh hoạt, độ thẩm thấu, tính chất quang học và độ ổn định Tốc độ và cơ chế phân hủy sinh học của từng polymer cũng phụ thuộc chủ yếu vào các đặc tính bên trong của nó, cụ thể là cấu trúc hóa học, trọng lượng phân tử, mức độ

ưa nước/kỵ nước, sự hiện diện của các liên kết không ổn định do thủy phân, hình thái tinh thể/vô định hình và tỷ lệ đồng trùng hợp Độ dày của màng có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào diện tích bề mặt của vật liệu được phủ và các đặc tính vật lý khác của hệ thống Các vi hạt có thể bao gồm một hạt đơn lẻ hoặc các cụm hạt Vi hạt dùng để bào chế dưới dạng viên nén, viên nang cứng, hỗn dịch và các dạng bào chế khác [44, 51]

Các polymer là vật liệu hàng đầu để sản xuất, bảo vệ thuốc và tăng cường sinh khả dụng Có hai loại polymer là polymer tự nhiên và polymer tổng hợp Nói chung polymer ưa nước, polymer kỵ nước hoặc kết hợp cả hai đều được sử dụng cho quá trình

vi bao Polymer tự nhiên mang lại nhiều lợi thế do phong phú, chi phí thấp và là nguồn tài nguyên tái tạo trong tự nhiên Hơn nữa, các polymer tự nhiên ít độc hơn, tương thích sinh học và dễ phân hủy sinh học, nhờ đó chúng bị phân hủy bởi hoạt động của enzyme

Có nhiều polymer tổng hợp và tương thích sinh học nhưng đa số bị thủy phân trong cơ thể và có xu hướng đi ra khỏi vị trí cần tác dụng Điều này sẽ gây ra tắc mạch, cuối cùng dẫn đến tổn thương cơ quan Do đó, các polymer tự nhiên được ưu tiên sử dụng trong việc chế tạo vi hạt [44, 51]

1.2.3.2 Vật liệu lõi

Vật liệu lõi có thể ở dạng chất rắn hoặc giọt lỏng và chất phân tán Thành phần của vật liệu lõi có thể thay đổi vì lõi lỏng có thể bao gồm các chất phân tán và chất hòa tan vật liệu Lõi rắn có thể là hỗn hợp của các thành phần hoạt động, chất ổn định, chất pha loãng, tá dược và chất làm chậm hoặc tăng tốc độ giải phóng Thành phần của vật liệu lõi có thể thay đổi do đó tính linh hoạt cho phép thiết kế và phát triển các đặc tính

của vi nang mong muốn Một chất có thể được vi bao vì một số lý do như: bảo vệ vật liệu phản ứng khỏi môi trường, xử lý an toàn và thuận tiện đối với các vật liệu độc hại, che mùi vị, làm phương tiện cho các đặc tính giải phóng có kiểm soát hoặc thay đổi thuộc tính vật lý của thuốc [44, 52]

Thông thường, đây là một phản ứng hóa học tự phát và hoạt chất có thể được hấp phụ thêm trên bề mặt của các vi hạt Phản ứng này có thể xảy ra trong môi trường bên ngoài, trong đó tác nhân hoạt động được phân tán dưới dạng chất rắn hoặc chất lỏng

và các polymer được hình thành sẽ khuếch tán đến bề mặt phân cách Cũng có thể xảy

ra trùng hợp tại chỗ tại bề mặt phân cách, một cách tự nhiên hoặc do sự tiếp xúc của monomer khuếch tán ở một bên và chất xúc tác ở bên kia Hoặc có thể xảy ra phản ứng trùng hợp tại chỗ tại bề mặt phân cách bởi sự ngưng tụ hóa học của hai monomer khác nhau về mặt hóa học ở các pha đối diện Phương pháp tạo vi nang bằng trùng hợp bề mặt thường liên quan đến phản ứng hóa học giữa diacyl chloride hoặc chloride acid và amine hoặc rượu [44, 53]

Ưu điểm của phương pháp trùng hợp là nhanh chóng, có nhiều cách kiểm soát, hiệu suất cao Tuy nhiên vi nang được hình thành bằng phương pháp này rất dễ vỡ và khó xử lý; khó kiểm soát phản ứng trùng hợp và bắt buộc phải rửa để loại bỏ hoàn toàn monomer và các sản phẩm khác

• Gel hóa ionotropic

Gel hóa ionotropic là một phương pháp đơn giản, nhanh chóng, chi phí thấp và thuận lợi cho các ứng dụng lâm sàng do đó được sử dụng rộng rãi Các hạt gel hóa được sản xuất bằng cách thêm vào các giọt cao phân tử có chứa chất cần được bao bọc dưới dạng anion vào dung dịch nước của các cation đa hóa trị Các thông số như khối lượng

và nồng độ phân tử, lượng chất liên kết chéo, tốc độ khuấy và tốc độ dòng chảy phải được tối ưu hóa Tất cả các thông số này đều chi phối đến kích thước, hình dạng và hình thái của hạt [54]

1.2.4.2 Phương pháp vật lý

• Làm bay hơi dung môi

Làm bay hơi dung môi là một kỹ thuật được nhiều công ty sử dụng để sản xuất

vi nang, đặc biệt là để bao gói thuốc Trong phương pháp này, vật liệu lõi được phân tán/hòa tan trong dung dịch polymer Sau đó pha này được đưa vào pha liên tục là nước hoặc dầu Để loại bỏ hoàn toàn dung môi hữu cơ cần phải đun nóng, sau đó giảm nhiệt

độ hoặc đông khô Vi hạt được tách ra bằng cách ly tâm hoặc lọc Phương pháp này thích hợp cho việc tạo vi bao các loại thuốc ưa dầu như peptide Tuy nhiên phương pháp này có một số nhược điểm như: trong loại nhũ tương nước trong dầu, việc loại bỏ dầu khỏi sản phẩm cuối cùng là phức tạp, chi phí cao, sử dụng các dung môi hữu cơ như dichloromethane độc hại và cần loại bỏ hoàn toàn khỏi sản phẩm cuối cùng, đôi khi protein bị biến tính và hình thành các tập hợp Phương pháp này có thể tạo ra các vi hạt

có kích thước từ 5-5000 μm [50, 53, 55]

• Sấy phun

Sấy phun được sử dụng để chế tạo các vi hạt có kích thước từ 1-100 μm Trong phương pháp này, polymer được hòa tan trong dung môi hữu cơ dễ bay hơi như dichloromethane hoặc acetone Sau đó vật liệu lõi được phân tán trong dung dịch polymer rồi phun dưới luồng khí nóng, hình thành dạng sương mù mịn, từ đó dung môi bay hơi ngay lập tức Tiếp theo, các vi hạt được tách bằng thiết bị tách xyclon ở ngay bên cạnh buồng phun, trong khi toàn bộ dung môi được loại bỏ bằng sấy chân không Sấy phun được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp dược phẩm và công nghệ sinh học

Có vô số lợi thế làm cho công nghệ sấy phun trở nên phổ biến: Quy trình nhanh chóng; kích thước hạt đồng đều; tất cả các bước được thực hiện trong một thiết bị; hình thành các vi hạt xốp có thể làm bay hơi hoàn toàn dung môi hữu cơ; hoạt động trong điều kiện

vô trùng; sử dụng được cả polymer kỵ nước và ưa nước Nhược điểm của sấy phun là cần sử dụng nhiệt độ cao; năng suất rất ít do các vi hạt dính vào buồng sấy; có thể thay đổi tính đa hình của thuốc; chi phí cao và không thể ứng dụng với chất lỏng có độ nhớt cao [50, 52, 55]

• Treo khí hoặc phủ tầng sôi

Kỹ thuật treo khí hoặc phủ tầng sôi dựa trên sự phân tán của hoạt chất dưới dạng các hạt nhỏ (nhân thuốc) và được giữ lơ lửng trong luồng không khí qua tầng sôi, trong khi vật liệu phủ được nguyên tử hóa trong các hạt chuyển động Quá trình sấy khô được thực hiện với không khí tuần hoàn trong buồng phủ Phương pháp này được áp dụng cho các lõi rắn hoặc lõi lỏng được hấp phụ trong chất rắn Kích thước của vi hạt thu được nằm trong khoảng 35-5000 μm [53]

• Ép đùn ly tâm

Ép đùn ly tâm là kỹ thuật vi nang sử dụng đầu đùn kéo sợi được tạo thành từ các vòi đồng tâm Lõi và vật liệu phủ (không thể trộn lẫn với nhau), được đẩy qua các vòi phun đồng tâm tạo thành một dòng chảy liên tục của 2 chất lỏng và tự vỡ ra thành các giọt hình cầu Mỗi giọt chứa một vùng trung tâm liên tục được bao bọc bởi màng chất lỏng Tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng trong quá trình vi nang hóa, quá trình hóa rắn sau đó có thể được thực hiện bằng phương pháp làm lạnh hoặc tạo gel [53, 56]

Trong quá trình đông tụ, hoạt chất có thể được phân tán trong dung dịch polymer phủ và ở một ảnh hưởng môi trường cụ thể (ion, pH, thay đổi nhiệt), xảy ra sự phân tách pha, vật liệu lõi được bao bọc bởi polymer tạo thành Quá trình đông tụ đơn giản dựa trên sự không tương thích giữa các polymer Kích thước hạt chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính của tá dược (độ nhớt, sức căng bề mặt) và tốc độ khuấy Trong quá trình đông tụ phức tạp, các polymer có điện tích trái dấu tạo thành phức hợp không hòa tan và đồng thời bao bọc hoạt chất Độ pH rất quan trọng trong quá trình đông tụ phức tạp vì điểm đẳng điện của các polymer phải được xem xét [56]

Phương pháp nhũ tương đơn giản; chi phí thấp Tuy nhiên phải sử dụng các tác nhân tạo liên kết chéo (chemical crosslinker) độc và nếu dùng quá nhiều, phải được xử

lý ly tâm, rửa và tách, làm cho quá trình này kéo dài [55]

• Chất lỏng siêu tới hạn

Công nghệ chất lỏng siêu tới hạn gần đây đã thu hút được sự quan tâm của dược phẩm đối với việc hình thành các hạt đơn phân tán với khả năng tạo thành các hạt có kích thước nano Chất lỏng siêu tới hạn tạo các hạt bằng cách làm giảm áp suất nhanh hoặc pha loãng vượt quá điểm bão hòa của chất tan hoặc kết hợp cả hai quá trình này [56]

1.2.4.4 Sử dụng thiết bị vi lưu

Các phương pháp được nhắc tới ở trên đều có những ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của các phương pháp trên là rất khó khống chế kích thước hạt cũng như không thể đạt được độ phân bố kích thước hạt đồng đều cao Trong khi đó các thông số này lại vô cùng quan trọng cho việc sử dụng các vi hạt như một chất mang thuốc Do đó, việc sử dụng phương pháp tổng hợp vi hạt dẫn thuốc bằng thiết bị kênh dẫn vi lưu với những ưu điểm như: độ chính xác cao, dễ dàng điều khiển và có thể khống chế được độ đồng đều của kích thước hạt là phương pháp phù hợp, đưa ra những kết quả đầy hứa hẹn liên quan đến sản xuất vi hạt và ngày càng được ứng dụng rộng rãi

1.2.5 Các cơ chế giải phóng dược chất của vi hạt

Vi hạt được tạo ra bởi các phương pháp khác nhau, có thể chứa các tá dược đặc biệt nên có thể có nhiều hiện tượng và cơ chế giải phóng dược chất khác nhau (hòa tan, khuếch tán, thẩm thấu, xói mòn) (hình 1.4) Nói chung, các cơ chế này diễn ra song song

với nhau và có thể có một cơ chế đóng vai trò lớn hơn trong quá trình giải phóng dược chất Trong vi hạt, khi hoạt chất bao bọc trong một ma trận polymer, tính chất của hệ thống polymer là rất quan trọng trong quá trình hòa tan nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu

tố (đặc tính của thuốc, công thức, môi trường giải phóng ) [46]

Hình 1.4 Cơ chế giải phóng thuốc trong vi hạt [50]

1.2.5.1 Khuếch tán

Khuếch tán là cơ chế phổ biến nhất trong đó chất lỏng hòa tan thâm nhập vào

vỏ, hòa tan lõi và rò rỉ ra ngoài qua các kênh xen kẽ hoặc lỗ Do đó, sự giải phóng tổng thể phụ thuộc vào, (a) tốc độ mà chất lỏng hòa tan thâm nhập vào thành vi nang, (b) tốc

độ dược chất hòa tan trong chất lỏng, và (c) tốc độ dược chất hòa tan rò rỉ ra ngoài và phân tán khỏi bề mặt [58-60] Động học giải phóng thuốc như vậy tuân theo phương trình của Higuchi [44, 59, 61]:

Q = [D/J(2A - εCS )CS x t] 1/2

Trong đó, Q là lượng thuốc giải phóng trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc trong thời gian t; D là hệ số khuếch tán của chất tan trong dung dịch; A là tổng lượng thuốc trên một đơn vị thể tích; CS là độ hòa tan của dược chất trong dịch hòa tan thẩm thấu; ε là độ xốp của thành vi nang; J là độ quanh co của hệ thống mao dẫn trong tường Phương trình trên có thể được đơn giản hóa thành Q = vt trong đó, v là tốc độ giải phóng biểu kiến

1.2.5.2 Hòa tan

Tốc độ hòa tan của lớp vỏ polymer quyết định tốc độ giải phóng thuốc từ vi hạt khi lớp vỏ hòa tan trong dung dịch hòa tan Độ dày của lớp phủ và độ hòa tan của nó trong chất lỏng hòa tan ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng [61, 62]

1.2.5.3 Thẩm thấu

Lớp vỏ polymer của vi hạt đóng vai trò như một màng bán thấm và cho phép tạo ra sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa bên trong và bên ngoài vi nang và đẩy dung dịch thuốc ra khỏi vi nang thông qua các lỗ nhỏ trên lớp vỏ [63, 64]

1.2.5.4 Xói mòn

Xói mòn vật liệu phủ do pH hoặc quá trình thủy phân bằng enzyme gây giải phóng thuốc với một số chất liệu của lớp phủ như glyceryl monostearate, sáp ong và stearyl ancol [65]

Việc thiết lập mô hình giải phóng dược chất từ vi nang đã trở nên phức tạp do

sự đa dạng vật lý của vi nang liên quan đến kích thước, hình dạng và sự sắp xếp của vật liệu lõi và vỏ Các tính chất hóa lý của vật liệu lõi như độ hòa tan, khả năng khuếch tán

và hệ số phân chia, tính chất của vật liệu phủ như độ dày, độ xốp và độ trơ thay đổi cũng làm cho việc lập mô hình giải phóng dược chất trở nên khó khăn Tuy nhiên, dựa trên các nghiên cứu khác nhau liên quan đến đặc tính giải phóng, có thể đưa ra những khái quát sau [44]:

1 Các vi hạt thuộc loại nguyên khối và chứa dược chất hòa tan có tỷ lệ giải phóng

là t1/2 phụ thuộc trong nửa đầu của tổng lượng dược chất giải phóng và sau đó giảm theo cấp số nhân

2 Tuy nhiên, nếu một vi hạt nguyên khối chứa một lượng lớn dược chất hòa tan, thì tốc độ giải phóng về cơ bản là t1/2 phụ thuộc vào gần như toàn bộ quá trình giải phóng dược chất

Trong các vi hạt nguyên khối, đường đi của thuốc không phải là hằng số; thuốc

ở trung tâm di chuyển một khoảng cách lớn hơn thuốc ở bề mặt Do đó, tỷ lệ giải phóng thường giảm theo thời gian

1.3 Thiết bị vi lưu

1.3.1 Giới thiệu chung về thiết bị kênh dẫn vi lưu

Công nghệ vi lưu gần đây đã nổi lên như một công nghệ mới cho các nghiên cứu ở quy mô nhỏ [66] Đây là một lĩnh vực đa ngành giao thoa giữa vật lý, hóa học, kỹ thuật, công nghệ vi mô và công nghệ sinh học Ví dụ, trong hóa học, việc sử dụng thiết

bị vi lưu cải thiện quá trình tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu nano và cấu trúc nano

vì bề mặt phân cách giữa các thuốc thử lớn hơn so với thể tích của chúng [67, 68] Trong sinh học, vi lưu được sử dụng để phân tích phân tử, phân tích tế bào và phân loại tế bào [69] Trong phân phối thuốc, các đầu dò thần kinh và thiết bị cấy ghép có tích hợp các thành phần vi lỏng có thể phân phối chính xác một lượng nhỏ thuốc vào các mục tiêu cụ thể trong cơ thể [70, 71] Trong điện tử, thiết bị vi lưu được sử dụng làm cảm biến, đặc biệt cho công nghệ đeo [72, 73]

Như cái tên của nó, thiết bị vi lưu liên quan đến các dòng chất lỏng ở quy mô microlit, dễ dàng dự đoán và kiểm soát được do hệ số Reynolds thấp Do đó, tốc độ dòng chảy, gradient nồng độ và tốc độ cắt chính xác có thể được áp dụng trong các thí nghiệm yêu cầu kích thước mẫu hoặc thể tích thuốc thử rất nhỏ Hơn nữa, đặc tính diện tích bề mặt trên thể tích lớn của các tính năng ở quy mô micromet cho phép chuyển khối và

truyền nhiệt nhanh chóng Trong hệ thống này, chất lỏng được chứa trong các kênh vi

mô, thực hiện các hoạt động khác nhau trên chất lỏng [74]

Ban đầu các thiết bị vi lưu phát triển từ các phương pháp đúc vi mô được sử dụng cho chip điện tử và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) Thông thường, các thiết bị vi lưu đơn giản được tạo ra bằng cách đúc bản sao bằng chất silicon dẻo PDMS (polydimethylsiloxane) Vật liệu này trong suốt về mặt quang học, thấm khí, không độc hại, trơ và tương thích với các dung dịch nước, thích hợp cho thí nghiệm sinh học và quan sát bằng kính hiển vi Việc chế tạo các thiết bị vi lưu rất dễ dàng, nhanh chóng và không tốn kém [74]

1.3.2 Các nguyên tắc cơ bản của thiết bị vi lưu

Quá trình tạo giọt bắt nguồn từ sự mất ổn định của chất lỏng Các giọt có thể được tạo ra trên các thiết bị vi lưu bằng phương pháp thụ động hoặc chủ động

Trong các thiết bị vi lưu thụ động, việc đưa một chất lỏng không thể trộn lẫn (chất lỏng phân tán) vào một chất lỏng khác (chất lỏng liên tục) dẫn đến sự hình thành các giọt Các thiết bị vi lưu thụ động không yêu cầu bổ sung năng lượng đầu vào vì chúng tạo ra các giọt thông qua các lực do chính chất lỏng tạo ra [75] Mặt khác, quá trình tạo giọt chủ động liên quan đến việc sử dụng năng lượng đầu vào bên ngoài (van điện, lực ly tâm hoặc các hạt từ tính) để tạo giọt [67] Các thiết bị vi lưu chủ động cho phép tạo ra các hạt phức tạp hơn, nhưng cũng gây ra thách thức vì việc chế tạo thiết bị khó khăn hơn và không đơn giản để thu nhỏ các thành phần cần thiết để tạo giọt hoạt động như van và máy trộn micromixer [76]

Các nguyên tắc và các loại thiết bị vi lưu được thể hiện ở hình 1.5 Trong thiết

bị loại mối nối T, pha phân tán chảy từ kênh dọc sang kênh ngang chứa đầy pha liên tục Dưới tác động kết hợp của lực cắt và áp suất đùn từ pha liên tục, các giọt đơn phân tán được tạo ra Trong thiết bị loại tập trung dòng chảy, pha phân tán chảy từ kênh giữa và chịu lực đùn của pha liên tục từ cả hai phía Pha phân tán trải qua sự kéo dài và đứt gãy, dẫn đến sự hình thành giọt Trong khi đối với thiết bị có cấu trúc đồng trục, kênh pha phân tán được nhúng trong kênh pha liên tục, và pha phân tán chảy song song với pha liên tục theo cùng một hướng Vì thế, pha phân tán vỡ thành các hạt nhỏ [77]

Hình 1.5 Công nghệ vi lỏng để tổng hợp các vật liệu dạng hạt Các nguyên tắc và các loại thiết bị với chế độ dòng chảy khác nhau để tạo giọt, bao gồm điểm nối T (a); dòng chảy tập

trung (b); đồng trục (c) [77]

Các lực quán tính và lực mao dẫn tác động lên chất lỏng trong các hệ thống vi lưu và ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy qua các vi kênh trong một thiết bị vi lưu Dòng chất lỏng thông thường có thể chảy hỗn loạn hoặc thành lớp Trong hệ thống thiết bị vi lưu thường chỉ xuất hiện dòng chảy tầng (hoặc còn gọi là chảy dòng) do kích thước vi

mô của thiết bị Điều này có nghĩa là các dòng chảy trong các thiết bị vi lưu rất khác với các dòng chảy trong các hệ thống vĩ mô Các thông số vật lý này rất quan trọng, cần xem xét khi thiết kế và vận hành các thiết bị vi lưu để chế tạo các hạt giải phóng thuốc Một

ví dụ phổ biến là do dòng chảy tầng, quá trình trộn chỉ xảy ra thông qua sự khuếch tán trong các thiết bị vi lưu, có nghĩa là nếu cần trộn nhanh chất lỏng, các thành phần trộn cần phải được tích hợp vào thiết kế của thiết bị [75]

Các hạt tạo thành từ thiết bị vi lưu dạng giọt chủ yếu giới hạn ở các biến thể hình cầu hoặc hình cầu đơn giản, chẳng hạn như hình bán cầu, hình trụ hoặc hình bánh Ngoài ra, trong một số trường hợp, cần có sự điều chỉnh hóa học để đảm bảo sự hình thành và dòng chảy liên tục và trơn tru của các giọt trong vi kênh [77]

Công nghệ sử dụng thiết bị vi lưu để tạo vi giọt thường được sử dụng để sản xuất các hạt giải phóng thuốc Trong quá trình này, hai pha không trộn lẫn, một pha liên tục (thường là dầu) và một pha phân tán (thường là nước), được kết hợp với nhau để tạo

ra một vi giọt (thường là các giọt nước trong dầu) được sử dụng để chế tạo các vi hạt giải phóng thuốc Thiết bị vi lưu cũng cho phép tạo ra vi giọt kép (Janus droplets) Sức căng bề mặt, lực bề mặt và độ nhớt là các số thông số vật lý ảnh hưởng đến sự hình thành vi giọt [75] Sự tác động lẫn nhau giữa các lực này sẽ xác định các giọt có được tạo ra thông qua chế độ nhỏ giọt hay không, hay các giọt được tạo ra thông qua chế độ phun, trong đó một dòng liên tục được chia thành các giọt nhỏ hơn nữa xuống vi kênh Tốc độ dòng chảy cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo giọt, và việc thay đổi tốc độ sẽ làm thay đổi kích thước của các hạt được tạo ra [78]

1.3.3 Ứng dụng thiết bị vi lưu trong chế tạo vi hạt

Thiết bị vi lưu chứa các vi kênh khác nhau để chất lỏng chảy qua và các tính năng cần thiết để điều khiển các chất lỏng này để tạo thành các hạt giải phóng thuốc Để tạo thành các hạt mang thuốc bằng công nghệ vi lưu, các tính năng của thiết bị này phải được đánh giá về khả năng tương thích với loại hạt cần được sản xuất về kích thước và thành phần hạt Sự vận chuyển chất lỏng bị chi phối bởi độ nhớt và quán tính, là nguyên nhân gây ra các hiện tượng phi tuyến dẫn đến nhiều bất ổn Tuy nhiên, khi dòng chất lỏng được thu nhỏ như trong thiết bị vi lưu, một số tác động quán tính trở nên không đáng kể Đây là một phương pháp rất khó đang được phát triển nghiên cứu để đạt được

ở quy mô vĩ mô [57, 79]

Công nghệ vi lưu có thể được sử dụng để sản xuất các hạt mang thuốc với nhiều thành phần và chức năng khác nhau, phương pháp này cho thấy nhiều ưu điểm so với các phương pháp sản xuất thông thường Một ưu điểm quan trọng là các phương pháp

vi lưu tạo ra các hạt có kích thước nhỏ hơn và độ đồng đều cao hơn [78] Điều này rất quan trọng vì các hạt có kích thước khác nhau được hấp thụ khác nhau trong cơ thể và khi giải phóng thuốc, các hạt thường cần được hấp thụ trong một vùng cụ thể để đạt được hiệu quả dự kiến Hơn nữa, thiết bị vi lưu cho phép dễ dàng kiểm soát kích thước của các hạt được tạo ra bằng cách điều khiển tốc độ dòng chảy của các pha chất lỏng, tăng hiệu quả bao gói thuốc và mức độ tải thuốc, và chúng cũng có thể dễ dàng được sử dụng để tạo ra các hạt với các thành phần và tính chất khác nhau [57]

Tận dụng các ưu điểm này, thiết bị vi lưu đang nổi lên như một công cụ mạnh

mẽ cho việc chế tạo vi hạt ứng dụng làm chất mang thuốc Công nghệ vi lưu được sử

dụng trong cả quá trình sản xuất và đánh giá các hạt phân phối thuốc Trong quá hình sản xuất, thiết bị vi lưu cung cấp các phương pháp tạo hạt mới Trong quá trình đánh giá

thiết bị vi lưu cung cấp các mô hình in vitro mới và cải tiến, những mô hình này đang

bắt đầu có tác động đến sự hiểu biết của về các tương tác quan trọng giữa các hạt phân phối thuốc và các hệ thống sinh học [79]

Một nhược điểm lớn của việc sử dụng thiết bị vi lưu để chế tạo các hạt giải phóng thuốc là cần nhiều thời gian để tạo ra một lượng đáng kể các hạt do tốc độ tạo giọt điển hình chỉ 0,1-10 mL/h từ một máy tạo giọt duy nhất Do hạn chế này, các hạt giải phóng thuốc được sản xuất bằng công nghệ vi lưu vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp Lượng sản phẩm thấp có thể được cải thiện lại bằng cách sử dụng nhiều thiết bị song song để tăng sản lượng, hoặc sử dụng các bơm đầu vào dạng trích khí, nhưng các công nghệ này vẫn còn tương đối mới

1.4 Alginate

Hydrogel là mạng lưới ba chiều trong đó các polymer ưa nước liên kết ngang với nhau [80] Chúng có thể trương nở bằng cách hấp thụ một lượng lớn nước hoặc chất lỏng sinh học trong khi vẫn giữ nguyên cấu trúc mạng Các hợp chất này tương tự như

mô sống vì khả năng chứa nước cao, khả năng thẩm thấu và tính nhất quán của chúng Trong số các polymer ưa nước được đề xuất rộng rãi trong quá trình điều chế hydrogel, polysaccharide có một số lợi ích so với các polymer tổng hợp

Nhiều loại polymer tự nhiên và tổng hợp đã được sử dụng để bao bọc và bảo vệ các chất hoạt tính sinh học do tính linh hoạt trong cấu trúc của chúng và khả năng đưa các thành phần hoạt tính sinh học khác nhau vào cùng một cấu trúc Đặc biệt, alginate

là polymer tự nhiên hấp dẫn cho các ứng dụng y sinh vì tính sẵn có của nó và nhiều đặc tính thuận lợi, bao gồm khả năng hình thành hydrogel nhạy cảm với pH trong điều kiện thường Bất chấp sự tồn tại của các polysaccharide anion khác từ các nguồn biển như agar và carrageenan, alginate có khả năng hòa tan trong nước ở nhiệt độ phòng, không yêu cầu các chu trình gia nhiệt và làm lạnh để tạo gel Điều này làm cho alginate trở thành một trong những vật liệu sinh học phù hợp nhất được sử dụng trong thiết kế hệ thống phân phối thuốc và ứng dụng trong kỹ thuật mô [9, 10]

1.4.1 Nguồn gốc

Alginate được sản xuất từ hai nguồn là tảo và vi khuẩn Alginate bán trên thị trường có nguồn gốc chủ yếu từ tảo nâu Các loài tảo phổ biến có tầm quan trọng về mặt

thương mại bao gồm Laminaria hyperborea, Ascophyllum nodosum và Macrocystis

pyrifera [81] Ngoài ra, alginate có thể phân lập từ các loài vi khuẩn như các Azotobacter và Pseudomonas nhưng phương pháp này thường không khả thi về mặt

kinh tế đối với các ứng dụng thương mại và chỉ giới hạn trong các nghiên cứu quy mô nhỏ [82]

Việc sản xuất alginate thương mại chủ yếu bao gồm các quá trình chiết xuất bằng kiềm Tảo nâu sau khi thu thập được sấy khô và trải qua các phương pháp xử lý hóa học khác nhau để loại bỏ tạp chất như: kim loại nặng, nội độc tố, protein, carbohydrate và polyphenol khác, sau đó chế biến thành nguyên liệu thô hoàn chỉnh dưới dạng bột ở dạng acid hoặc muối [81]

1.4.2 Cấu trúc

Alginate là danh pháp chung dùng để chỉ họ polysaccharide mạch thẳng như

alginic acid và muối alginate, được cấu tạo bởi các gốc β-D-mannuronic acid (M) được liên kết với β(1→4) và epimer C-5 của nó là α-L-guluronic acid (G) Các đơn phân này

được sắp xếp theo kiểu khối bao gồm các chuỗi đồng nhất của các khối M hoặc G xen

kẽ với các dị chuỗi G/M (hình 1.6) Thành phần, trọng lượng phân tử, tính chất vật liệu của alginate phụ thuộc vào nguồn khai thác [83, 84]

Hình 1.6 Cấu trúc hóa học của khối G, khối M và khối xen kẽ trong alginate [83]

Chỉ các khối G của alginate được cho là tham gia vào liên kết chéo liên phân tử với các cation hóa trị hai để tạo thành hydrogel Do đó, thành phần (nghĩa là tỷ lệ M/G), trình tự, chiều dài khối G và trọng lượng phân tử là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất vật lý của alginate và hydrogel tạo thành của nó Các tính chất cơ học của gel alginate thường được tăng cường bằng cách tăng chiều dài của khối G và trọng lượng phân tử Điều quan trọng cần lưu ý là các nguồn alginate khác nhau cung cấp các polymer có cấu trúc hóa học khác nhau (ví dụ: alginate vi khuẩn được sản xuất từ

Azotobacter có nồng độ khối G cao và gel của nó có độ cứng tương đối cao [85]) Các

tính chất vật lý kiểm soát đáng kể tính ổn định của gel, tốc độ giải phóng thuốc từ gel, kiểu hình và chức năng của các tế bào được bao bọc trong gel alginate [83]

1.4.3.2 Ổn định nhiệt

Gel alginate bền nhiệt được hình thành trong khoảng nhiệt độ từ 0-100°C, độ cứng của gel giảm khi nhiệt độ tăng [86] Ở nhiệt độ dưới điểm sôi của nước, liên kết

không cộng hóa trị giữa các phân đoạn polymer liền kề giữ cho alginate nguyên vẹn trong điều kiện dao động biến dạng nhỏ nhưng trạng thái cân bằng này bị phá vỡ do tác động nhiệt từ lực cắt ổn định [82]

1.4.3.3 Tạo liên kết ngang và hình thành gel

Sodium alginate có khả năng tạo gel khi có mặt các cation đa hóa trị trong môi trường nước và được sử dụng rộng rãi như một chất tạo gel trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm

Dung dịch sodium alginate có thể trải qua quá trình biến đổi sol-gel khi có mặt các cation liên kết ngang Nói chung, sự hình thành gel alginate liên kết ngang có thể xảy ra theo hai cơ chế là gel hóa bên ngoài hoặc gel hóa bên trong Trong quá trình hình thành các hạt lớn hoặc vi hạt bằng cách tạo gel bên ngoài, dung dịch alginate được thêm vào dung dịch liên kết ngang dưới dạng các giọt đùn hoặc nguyên tử hóa và quá trình hình thành gel xảy ra khi các cation liên kết ngang khuếch tán vào dung dịch alginate Trong phương pháp gel hóa bên trong, muối calcium không hòa tan (ví dụ calcium carbonate) được thêm vào dung dịch alginate và các ion calcium tự do sau đó được giải phóng bằng cách điều chỉnh pH bằng acetic acid băng Có thể sử dụng chất tạo phức kim loại như trisodium citrate để kiểm soát thêm tốc độ phản ứng bằng cách cạnh tranh với các alginate để giành ion calcium tự do Điều kiện pH, số lượng và kích thước hạt của muối calcium không hòa tan đã được báo cáo là có ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng các cation Gel hóa bên ngoài là tức thời và dẫn đến mật độ liên kết ngang và nồng độ polymer không đồng đều, gel hóa bên trong dẫn đến nồng độ ion đồng nhất và được kiểm soát tốt hơn Ngoài ra, tốc độ gel hóa phụ thuộc vào nhiệt độ, theo đó nhiệt độ giảm làm giảm khả năng phản ứng [82, 87]

Khả năng gel hóa cũng phụ thuộc vào hệ số trao đổi ion giữa ion kim loại hóa trị hai và ion sodium trong sodium alginate Khả năng liên kết của alginate với các ion kim loại được sắp xếp theo thứ tự sau: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+,

Ni2+, Zn2+> Mn2+ [54] Mặc dù Ca2+ có ái lực liên kết không lớn nhưng được sử dụng nhiều hơn vì nó là thành phần chính trong quá trình tạo xương cũng như điều chỉnh một

số quá trình sinh lý nên tương thích đối với cơ thể con người [88] Ngoài ra, Ba2+ và Sr2+

cũng được sử dụng nhưng không phổ biến Pb2+, Cu2+, và Cd2+ hạn chế sử dụng do độc tính của chúng [54]

Hình 1.7 Mô hình “Hộp trứng” của quá trình gel hóa alginate bằng tương tác ion giữa các

ion COO - trong các gốc guluronate của phân tử alginate và ion Ca 2+ [54]

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến các đặc tính hóa lý của alginate là tỷ lệ M/G thay đổi giữa các loại rong nâu khác nhau và thậm chí các mảnh khác nhau của cùng một loại thực vật Các khối G bị uốn cong hoặc méo mó trong khi khối M kéo dài

có dạng giống như dải băng Chỉ những khối G alginate mới tham gia tạo liên kết ngang giữa các phân tử với các cation hóa trị hai như Ca2+ để tạo ra hydrogel Liên kết ngang chủ yếu được hình thành bằng cách thay thế các ion Na+ của khối G bằng các cation hóa trị hai như Ca2+ và uốn cong các nhóm guluronic để tạo ra cấu trúc giống như hộp trứng

Do đó, gel alginate với nhiều đơn vị khối G cứng và ổn định hơn về mặt cơ học Chúng

có độ xốp cao và không trương nở lại sau khi khô Ngoài khối G, các khối MG cũng tương tác, nhưng chúng tạo thành các liên kết yếu [82]

Trong nhiều nghiên cứu, các hạt hydrogel alginate tạo ra ion ở dạng hạt, vi hạt

và hạt nano có khả năng bao bọc và giải phóng các loại thuốc, protein và các phương pháp điều trị khác

tử được bao bọc trong các hạt alginate được ứng dụng để phát triển hệ thống phân phối thuốc Trong môi trường pH thấp như dạ dày các hydrogel alginate co lại, còn trong môi trường ruột có pH cao hơn gel sodium alginate được chuyển thành dạng acid alginic xốp

có độ nhớt và bị hòa tan [54]

Hình 1.8 Ảnh hưởng của pH đến phân tử alginate [54]

Độ nhớt của alginate cũng phụ thuộc vào pH Khi giá trị pH giảm, độ nhớt tăng

và ngược lại Độ nhớt đạt tối đa ở pH = 3-3,5 do sự proton hóa nhóm –COOH tạo liên kết hydro với nước [81]

1.4.3.5 Giải phóng thuốc từ ma trận alginate

Alginate rất hữu ích như một chất nền để cố định tế bào cũng như bẫy các hợp chất và thuốc có hoạt tính sinh học Vật liệu được bao bọc trong môi trường alginate trơ

có thể được phân phối ở tốc độ mong muốn trong hệ thống giải phóng có kiểm soát Các loại thuốc được bao gói giải phóng khỏi các viên alginate bằng quá trình khuếch tán qua các lỗ và việc giải phóng được tạo điều kiện thuận lợi bởi sự phân hủy của mạng lưới polymer Nói chung, sự giải phóng các thuốc tan trong nước được kiểm soát chủ yếu bằng sự khuếch tán trong khi sự giải phóng các thuốc không tan trong nước chủ yếu phụ thuộc vào sự xói mòn của gel [89, 90] Chuyển động của dược chất được bao bọc trong

ma trận alginate bị chi phối bởi đặc tính của dược chất và thành phần hóa học của polymer alginate [82]

Kích thước lỗ xốp của chất nền alginate ảnh hưởng trực tiếp đến sự khuếch tán

và được kiểm soát bởi nhiều yếu tố khác nhau Người ta thấy rằng độ xốp của nền giảm đáng kể khi sấy khô [91] Mặc dù môi trường có độ pH thấp không gây ra giải phóng dược chất đáng kể [92] nhưng việc xử lý acid trong quá trình chuẩn bị làm tăng sự trương

nở của ma trận và giải phóng dược chất [93, 94] Quá trình thủy phân proton ở pH thấp

có thể dẫn đến sự phân hủy và giải phóng thuốc nhanh hơn khi cân bằng lại ở pH trung tính

Thành phần alginate đóng vai trò quan trọng trong độ xốp của nền gel Người

ta nhận thấy rằng khi hàm lượng alginate tăng thì làm tăng độ xốp, tăng cường khả năng hút nước và giải phóng dược chất [95] Bên cạnh khả năng duy trì tính toàn vẹn của gel trong thời gian dài hơn, các alginate chứa hàm lượng guluronic acid cao có cấu trúc xốp hơn và thể hiện tốc độ khuếch tán cao đối với vật liệu được bao bọc Ngược lại, các hạt alginate có hàm lượng mannuronic acid cao mềm hơn, ít xốp hơn và có xu hướng dễ dàng phân hủy theo thời gian Kích thước lỗ nhỏ hơn có thể dẫn đến mức độ trương nở

và co rút cao hơn trong quá trình liên kết ngang [96, 97]

Ảnh hưởng của các cation hóa trị hai đối với độ xốp của gel cũng được nghiên cứu bằng cách sử dụng các nồng độ calcium chloride khác nhau [98] Kết quả cho thấy

tỷ lệ giải phóng dược chất cao hơn với hàm lượng sodium hoặc calcium tăng và độ xốp nền cao Tuy nhiên, sự giải phóng dược chất bị hạn chế bởi hiệu ứng cường độ ion ở nồng độ calcium rất cao trong khi hàm lượng sodium cao (tỷ lệ mol Na+/Ca2+ > 30) có thể cạnh tranh với các cation calcium tạo gel trong các nhóm carboxyl alginate, thúc đẩy quá trình hình thành gel yếu [99]

Sự khác biệt trong việc duy trì giải phóng thuốc (chlorpheniramine, sodium salicylate và caffeine) từ chất nền alginate có liên quan đến trọng lượng phân tử của thuốc được bao bọc [100] và tương tác ion giữa thuốc và alginate tích điện âm [94, 100] Mặc dù hàm lượng thuốc cao sẽ thúc đẩy quá trình khuếch tán thuốc, Segi và cộng sự

đã báo cáo việc giảm đáng kể đường kính nền khi hàm lượng dược chất tăng lên sẽ làm giảm giải phóng dược chất [92] Các nghiên cứu trước đây sử dụng kính hiển vi điện tử

và phân tích cột đã tìm thấy các lỗ nhỏ hơn trên bề mặt hạt so với trong lõi [86, 101] Sự khuếch tán của các phân tử protein lớn được báo cáo là bị ảnh hưởng bởi trọng lượng phân tử của chúng mặc dù các phân tử nhỏ hơn như glucose và ethanol không cho thấy

xu hướng tương tự [100, 102]

Các nhóm chức trong alginate có thể ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng dược chất từ các vi cầu Điều này được quan sát thấy khi các loại aldehyde khác nhau liên kết chéo với các nhóm hydroxyl của polymer alginate Các aldehyde cồng kềnh hơn (ocatanal và octadecanal) ít có khả năng duy trì sự giải phóng dược chất khi so sánh với metanal và pentanedial [103] Tác dụng không gian của các nhóm cồng kềnh này có thể dẫn đến liên kết yếu hơn giữa thuốc và nền alginate Một nghiên cứu riêng biệt cho rằng

ái lực thấp hơn của các ion calcium đối với dư lượng polyguluronic là do mạng lưới vi cấu trúc lỏng lẻo không đồng nhất [104]

1.4.3.6 Độ bám dính niêm mạc

Độ bám dính của chất nhầy là khả năng vật liệu bám dính vào lớp chất nhầy bằng các lực khác nhau như tương tác tĩnh điện, liên kết hydro, tương tác kỵ nước và tương tác giữa thụ thể – phối tử cụ thể [105] Do đó, đặc tính bám dính của vật liệu polymer phụ thuộc vào các nhóm hóa học phân cực có trong cấu trúc của nó cho phép tương tác với bề mặt chất nhầy Điều cần thiết là phải xem xét rằng lớp chất nhầy là một

hệ thống ngậm nước cao với hơn 95% khối lượng là nước có chứa glycoprotein, lipid

và muối vô cơ Hơn nữa, glycoprotein là thành phần chính của chất nhầy và chịu trách nhiệm về đặc tính gel Đây là một rào cản khuếch tán chống lại sự hấp thụ thuốc và là một khía cạnh quan trọng liên quan đến các tương tác không cộng hóa trị Vì vậy, độ bám dính giữa bề mặt chất nhầy và polymer thường được kiểm tra để đánh giá độ bền liên kết bám dính [106]

Alginate được phân loại là chất bám dính tốt, có thể giúp kéo dài thời gian bám dính của thuốc trong niêm mạc ruột do thời gian lưu trú của thuốc trong ruột kết, tăng hiệu quả đường uống và sinh khả dụng [107] Đây cũng là một trong những lý do làm cho alginate trở thành một nguyên liệu đầy hứa hẹn trong việc vận chuyển thuốc qua đường uống

Đặc tính bám dính tốt của alginate có thể được giải thích do sự có mặt của các nhóm carboxyl và hydroxyl tự do phân bố dọc theo cấu trúc Trong môi trường sinh lý

có lực đẩy tĩnh điện giữa alginate và chất nhầy do các điện tích âm đáng kể từ dư lượng sialic acid và sulfate trong mạng lưới chất nhầy và các nhóm anionic carboxylic của alginate Liên kết hydro là tương tác phổ biến trong quá trình kết dính giữa chất nhầy và alginate Mật độ cao của nhóm ưa nước trong cấu trúc alginate cung cấp các tương tác

đa điểm cho liên kết hydro bên trong và giữa các phân tử dẫn đến sự kết dính mạnh mẽ [54]

1.4.3.7 Tương thích sinh học

Alginate được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm như một chất làm đặc, chất nhũ hóa và chất ổn định Alginate nằm trong nhóm các hợp chất được FDA coi là an toàn (generally regarded as safe-GRAS) [54]

Khả năng tương thích sinh học là yếu tố cần được xem xét vì quá trình chiết xuất alginate từ các nguồn tự nhiên đi kèm với sự có mặt của nhiều tạp chất có thể gây

ra phản ứng phụ Trên thực tế, phản ứng miễn dịch đã được báo cáo ở alginate thương mại, quy trình chiết xuất nhiều bước để loại bỏ kim loại nặng, nội độc tố và các hợp chất polyphenolic cho phép thu được alginate có độ tinh khiết rất cao cho các ứng dụng y sinh [108] Hàm lượng tạp chất của alginate thô và tinh khiết được đánh giá bởi Orive

và cộng sự cho thấy quá trình tinh chế alginate làm giảm đáng kể hàm lượng polyphenol, nội độc tố và protein Hơn nữa, các chất còn lại không tạo ra phản ứng kháng thể khi alginate được cấy vào chuột [109] Tương tự như vậy, không có phản ứng viêm đáng kể nào được quan sát thấy khi tiêm dưới da chuột gel hình thành từ alginate tinh khiết cao

có sẵn trên thị trường [83]

Việc sử dụng alginate bằng đường uống đã được chứng minh là không gây ra phản ứng miễn dịch và được FDA phê chuẩn cho phép sử dụng [54]

1.4.3.8 Phân hủy sinh học

Alginate vốn không thể phân hủy ở động vật có vú vì chúng thiếu enzyme có thể tách chuỗi polymer (ví dụ: alginase), nhưng gel alginate liên kết ngang ion có thể bị hòa tan bằng cách giải phóng các ion hóa trị hai với môi trường xung quanh do phản ứng trao đổi với các cation hóa trị một như ion sodium Tuy nhiên, ngay cả khi gel hòa tan, trọng lượng phân tử trung bình của nhiều loại alginate bán trên thị trường vẫn cao hơn ngưỡng thanh thải của thận và có khả năng sẽ không được loại bỏ hoàn toàn khỏi

cơ thể [110] Một cách tiếp cận để làm cho alginate có thể phân hủy trong điều kiện sinh

lý bao gồm quá trình oxy hóa một phần chuỗi alginate Alginate bị oxy hóa nhẹ có thể phân hủy trong môi trường nước và những vật liệu này đã chứng minh tiềm năng như một phương tiện vận chuyển thuốc và tế bào cho các ứng dụng khác nhau Alginate thường bị oxy hóa với sodium periodate (hình 1-9a) Quá trình oxy hóa periodate cắt liên kết carbon-carbon của cis-diol trong dư lượng guluronate và thay đổi cấu trúc ghế thành một chất cộng chuỗi mở, cho phép phân hủy cấu trúc alginate, dự kiến sẽ giảm nhẹ trọng lượng phân tử trong quá trình oxy hóa Tuy nhiên, quá trình oxy hóa một phần alginate không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tạo gel của nó khi có mặt các cation hóa trị hai Kết quả là tốc độ phân hủy của gel phụ thuộc rất nhiều vào mức độ oxy hóa, cũng như độ pH và nhiệt độ của môi trường (hình 1-9b và c) [111]

Hình 1.9 (a) Cấu trúc hóa học của alginate bị oxy hóa một phần (các nhóm aldehyde được tạo ra sau phản ứng oxy hóa được đánh dấu bằng màu đỏ) và (b) hành vi phân hủy của

alginate ở các độ pH khác nhau (○, pH 4,5; □, pH 7,4; ●, pH 9,2) [111]

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2 Thiết bị kênh dẫn vi lưu

3 Kính hiển vi quang học phản xạ kết nối với máy tính (Optika B-193, Italy)

4 Lamen kính, lamen kính trắc vi (Trung Quốc)

5 Xi lanh 10 mL, 20 mL (Tanaphar, Việt Nam)

7 Máy quang phổ UV-Vis (UV 1800, Shimazu, Nhật Bản)

8 Máy đồng hóa (X 120, CAT IngenieurbÜro MZipperer GmBH, Đức)

9 Bể siêu âm (Model Elmasonic S 300H, Elma, Đức)

10 Máy ly tâm (Trung Quốc)

11 Cân phân tích (Trung Quốc)

12 Máy khuấy từ và con khuấy từ (Trung quốc)

13 Bộ lọc hút chân không (Trung Quốc)

14 Lưới nilon 425 mesh

15 Màng thẩm tách (MW Cut off = 12000-14000 Da, Edulab, Anh)

16 Tủ sấy, máy sấy (Trung Quốc)

17 Máy vortex (VelP, Italy)

2.1.2 Hóa chất

Trong nghiên cứu này đã sử dụng các hóa chất được liệt kê trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu

STT Tên hóa chất

Độ tinh khiết Thông số kỹ thuật

1 Sodium alginate Sigma-Aldrich 99%

Dạng bột Màu từ be đến nâu

Độ nhớt: 4,0-12,0 cps

Độ hòa tan:

DMSO: 53mg/mL;

H2O: <1 mg/mL; EtOH: 3 mg/mL

14 Sulfuric acid

(H2SO4) Trung Quốc 95-98%

2.2 Chế tạo vi hạt alginate mang vorinostat

Dung dịch Na-alginate 2% được pha từ hóa chất đầu vào và nước cất với quá trình khuấy ở tốc độ 300 vòng/phút, nhiệt độ 40oC Sau khi để nguội dung dịch, thêm bột VOR vào và đồng hóa bằng máy đồng hóa ở tốc độ 30000 vòng/phút trong thời gian

7 phút Bọt khí sinh ra trong quá trình đồng hóa được khử bằng bể siêu âm

Thiết bị vi lưu sử dụng trong nghiên cứu này là thiết bị vi lưu loại dòng chảy tập trung dài 40 mm, rộng 17 mm và dày 5 mm, chế tạo bằng vật PDMS qua phương pháp in đúc thạch bản mềm đã được nghiên cứu trước đây [112]

Bơm vi lượng được sử dụng để điều khiển các dòng chảy sao cho dòng liên tục

sẽ cắt dòng gián đoạn tạo ra các vi giọt trong thiết bị vi lưu Trong thiết bị, hỗn dịch sodium alginate và VOR được sử dụng như dòng gián đoạn và dầu đậu nành được lựa chọn là dòng liên tục Như vậy đầu vào quá trình gần như đảm bảo về vệ sinh an toàn y

tế, thực phẩm Qua các nghiên cứu đã thực hiện trước đây, điều kiện tối ưu để chế tạo

vi hạt là: tốc độ dòng gián đoạn (dòng alginate) là 0,1 mL/h và tốc độ dòng liên tục (dầu đậu nành) là 6 mL/h

Dưới tác dụng của bơm, dầu đậu nành chứa trong một xi lanh qua một ống dẫn được đưa vào thiết bị vi lưu Dung dịch Na-alginate chứa VOR như một pha gián đoạn cũng được chứa trong một xi lanh khác và được đưa vào thiết bị vi lưu nhờ một bơm khác Hai dòng chất lỏng chuyển động trong thiết bị, dòng dầu chảy vào từ hai phía cắt dòng VOR phân tán trong alginate tạo thành các vi giọt Sau khi đi qua điểm giao cắt, các vi giọt đã được hình thành tiếp tục đi qua các kênh lượn sóng (wavy chanel), đổi hướng chuyển động, đi lần lượt từ vòng này qua vòng khác làm cho các vi giọt có hình dạng tròn, ổn định hơn trước khi đưa ra khỏi thiết bị vi lưu

Các vi giọt tạo thành ở trên được đưa ra ngoài theo một ống dẫn teflon có đường kính 0,5 mm Ở bên ngoài thiết bị vi lưu được bố trí một máy khuấy từ với tốc độ 100 vòng/phút, một cốc thủy tinh có chứa dung dịch calcium chloride nồng độ 10% (w/w)

đã được chuẩn bị Các vi giọt sau khi đi vào dung dịch CaCl2 sẽ bị gel hóa tạo thành các

vi hạt

Hệ thống làm việc liên tục trong thời gian thực nghiệm

Hình 2.1 a) Thiết bị vi lưu tập trung dòng chảy; (b) sơ đồ chế tạo vi hạt calcium alginate mang vorinostat; (c) sơ đồ hình thành các vi giọt sodium alginate mang vorinostat

Hình 2.2 Hệ thống thực nghiệm chế tạo vi hạt alginate mang vorinostat