Về cơ bản, một hệ thống vận chuyển thuốc cóthể được mô tả như một công thức có thể kiểm soát tốc độ và thời gian phân phốithuốc ví dụ: thời gian phát hành liều và mục tiêu lĩnh vực cụ th
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, xã hội ngày càng phát triển, cùng với đó là sự tiến bộtrong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục, y học Trong y học, conngười đã biết sử dụng máy móc, thiết bị hiện đại, phương pháp điều trị ngắn nhất,hiệu quả nhất và ít gây tác dụng phụ trong quá trình điều trị Phương pháp dẫntruyền thuốc được áp dụng ngày càng nhiều cho việc điều trị bệnh Đó là một trongnhững ứng dụng quan trọng của vật liệu xốp MOFs
MOFs là một loại vật liệu mới được tổng hợp từ muối kim loại ( Cu, Fe, Co, Ni )
và acid hữu cơ, có cấu trúc mạng không gian đa chiều, được tạo nên từ các nút kimloại và oxit kim loại được kết nối bằng các phối tử hữu cơ đa chức thành khungmạng, tạo ra những khoảng trống lớn bên trong, với bề mặt riêng cực lớn, độ xốp rấtcao, có khả năng lưu giữ tốt Tùy thuộc vào cấu trúc kim loại và ligand hữu cơ,MOFs có nhiều ứng dụng rộng rãi như: hấp phụ và lưu trữ khí, tách chất, trao đổiion, xúc tác và dược phẩm Đây được coi là bước phát triển lớn làm thay đổi diệnmạo ngành khoa học vật liệu ở trạng thái rắn MOFs ứng dụng trong y học với khảnăng dẫn truyền thuốc được các nhà khoa học hiện nay nghiên cứu và ngày càngphát triển Hệ thống vận chuyển thuốc là một trong những ứng dụng có triển vọngnhất cho việc chăm sóc sức khỏe con người và đại diện cho một lĩnh vực ngày càngphát triển về khoa học vật liệu y sinh Về cơ bản, một hệ thống vận chuyển thuốc cóthể được mô tả như một công thức có thể kiểm soát tốc độ và thời gian phân phốithuốc (ví dụ: thời gian phát hành liều) và mục tiêu lĩnh vực cụ thể của cơ thể[1].Bài báo cáo này sẽ trình bày cấu vật liệu MOFs ứng dụng trong dẫn truyền thuốckháng viêm ibuprofen cụ thể là MOF-1, cấu trúc tinh thể, tính chất của vật liệu, khảnăng dẫn truyền thuốc, các quá trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu và giải phóngthuốc
Trang 2CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MOFs
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm trước đây, các nhà khoa học và các viện nghiên cứu trên thếgiới đã nghiên cứu một loại vật liệu có cấu trúc xốp như Bentonit, zeolit, than hoạttính và bề mặt riêng lớn có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực lưu trữkhí, hấp thụ khí, phân tách khí, xúc tác [2] Các loại vật liệu có cấu trúc xốp và bềmặt riêng lớn đã được phát hiện trước đây như zeolit với bề mặt riêng là 904m2/g,than hoạt tính có bề mặt riêng lớn nhất là 1030m2/g [3] Nhưng vật liệu MOFs có bềmặt riêng vượt quá sự mong đợi với bề mặt riêng lên tới 3000m2/g và chưa có giớihạn về bề mặt riêng của vật liệu này [3] Năm 1997, nhóm nghiên cứu của GS.Omar M.Yaghi đã tìm ra loại vật liệu có cấu trúc xốp và bề mặt riêng lớn đó là vậtliệu được xây dựng trên cơ sở bộ khung hữu cơ – kim loại (Metal – OrganicFrameworks) viết tắt là MOFs[2] Các công trình nghiên cứu tập trung vào các vấn
đề thiết kế tổng hợp vật liệu MOFs có bề mặt riêng lớn được ứng dụng để lưu trữkhí, hấp thụ khí, tách khí [2]… Năm 2004, nghiên cứu ứng dụng lưu trữ khí H2 củacác IRMOF-1, IRMOF-8, IRMOF-18, IRMOF-11 và MOF-177 [4]
1.2 Vật liệu khung hữu cơ kim loại( MOFs)
1.2.1 Cấu trúc vật liệu MOFs
Khung hữu cơ - kim loại là vật liệu có cấu trúc xốp mở rộng, có các lỗ li ti giốngnhư tổ ong được hình thành dựa trên sự liên kết cộng hóa trị của các cation kim loạichuyển tiếp và các ligand hữu cơ tạo nên bộ khung hữu cơ –kim loại có bề mặtriêng lớn, có không gian ba chiều xốp và vững chắc như những giàn giáo xây dựnglàm tăng diện tích bề mặt [5], bên trong bộ khung là những lỗ trống tạo nên một hệthống xốp với những vách ngăn chỉ là những phân tử hoặc phân tử Hai tính chấtquan trọng nhất của vật liệu MOFs là có độ xốp cao và cấu trúc mạng ổn định với
độ xốp tối đa
1.2.1.1 Các tâm ion kim loại
Các tâm ion kim loại thường là các cation kim loại chuyển tiếp: Zn2+, Cu2+, Co2+,
Pb2+, các muối kim loại dùng để tổng hợp thường là loại ngậm nước như:Zn(NO3).6H2O, Co(NO3).6H2O, Cu(NO3).3H2O
Trang 3Các phân tử hữu cơ sử dụng trong quá trình tổng hợp MOFs sẽ tạo ra các liên kếthữu cơ cacboxylate với tâm kim loại
Các phân tử hữu cơ thường là các diacid hữu cơ chứa hai nhóm -COOH Ngoài ra còn có các nhóm chức khác như: nitrile, sufate, amine, photphate Đốivới vật liệu MOFs, cách bố trí mạng lưới liên kết các đơn vị cấu trúc trong sảnphẩm MOFs quyết định chủ yếu đến tính chất của MOFs
Hình 1.1 (a) Cấu trúc kim loại - bipyridine mềm có dạng hình khối kim cương mở
rộng và (b) kim loại – carboxylic cứng có thể được liên kết bởi thanh benzene để
hình thành khung cứng được nối dài [6]
1.3 Phương pháp tổng hợp MOFs
1.3.1 Phương pháp nhiệt dung môi [7]
3
Trang 4Phương pháp nhiệt dung môi là phương pháp tổng hợp vật liệu bằng cách kếttinh trong dung môi ở nhiệt độ và áp suất hơi cao Phương pháp này cần có điềukiện thuận lợi là dung môi phải bão hòa để hình thành tinh thể và làm bay hơi dungmôi bằng cách tăng nhiệt độ (tăng áp suất trong bình phản ứng) làm lạnh hỗn hợptinh thể sẽ xuất hiện Dung môi thường dùng là DMF, H2O, THF, DEF, Ethanol Tổng hợp bằng phương pháp dung môi nhiệt luyện cho phép kiểm soát kích thước,hình dạng… của vật liệu Đặc điểm của phương pháp này là nhiệt độ tổng hợp từ70-150°C, thời gian từ 6h – 6 ngày.
1.3.2 Phương pháp vi sóng [7]
Đây là phương pháp ít dùng nhưng tốc độ nhah đơn giản và hiệu suất tương đốicao Lò vi sóng giúp quá trình tổng hợp MOFs diễn ra nhanh hơn, rút ngắn thời giannhiều lần và cải thiện hiệu suất
1.3.3 Phương pháp siêu âm
Hỗn hợp phản ứng được hòa tan trong dung môi DMF, phản ứng thực hiện bằngsóng siêu âm ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển trong một thời gianngắn Phương pháp siêu âm rút ngắn thời gian tổng hợp so với phương pháp thôngthường
Có nhiều biện pháp để tạo vật liệu MOFs, với các ưu điểm và nhược điểm củamỗi phương pháp là khác nhau, nhưng đều có chung mục tiêu là tạo ra sản phẩmMOFs có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng lớn ứng dụng trong nhiều lĩnh vựckhác nhau
1.4 Ứng dụng của MOFs và những triển vọng trong tương lai
1.4.1 Khả năng hấp phụ và lưu trữ khí
Khí hidrogen trong những năm gần đậy được xem là nguồn nguyên liệu xanh vàsạch Lượng khí thải CO2 phát sinh từ việc đốt các nhiên liệu trong xe ô tô và cácnhà máy điện là một vấn đề môi trường gây bức xúc toàn cầu Để hấp phụ và lưutrữ các khí này rất khó khăn và tốn kém Hấp phụ chọn lọc dựa trên hình dạng vàkích thước, hấp phụ dựa trên tương tác giữa chất hấp phụ và bề mặt [2] Nhờ cấutrúc trật tự, độ bền nhiệt cao, chức năng hóa học có thể điều chỉnh được, tính xốpcao, vật liệu khung cơ kim được công nhận là vật liệu tiềm năng trong lưu trữ khí
Trang 5phụ chọn lọc cao hỗn hợp các khí và giải hấp phụ giúp khí sẽ dễ dàng được giảiphóng ra khỏi vật liệu khi cần sử dụng [2].
1.4.2 Khả năng phân tách
MOF là loại vật liệu có khả năng hấp phụ chọn lọc cao hỗn hợp các khí do cácnhóm chức trên khung sườn và sự đa dạng về kích thước lỗ xốp của vật liệu Ứngdụng lớn nhất ở đặc tính phân tách khí của MOF là tách ly CO2, một thành phầntrong khí đốt thiên nhiên, nó làm giảm độ tinh khiết của nhiên liệu, đồng thời cũng
là một trong những khí gây hiệu ứng nhà kính
1.4.3 Xúc tác
Với cấu trúc lỗ xốp tự nhiên, các vật liệu MOFs được ứng dung làm chất xúc tác
để tăng nhanh phản ứng hóa học trong những ứng dụng về sản xuất vật liệu và dượcphẩm Những vị trí kim loại đóng vai trò là tâm kim loại hoạt tính, là xúc tác chophản ứng Diện tích bề mặt lớn, với các lỗ trống li ti, MOFs ứng dụng trong xúc tác
1.4.4 Dẫn truyền thuốc [8]
Thành phần hữu cơ trong vật liệu MOF (như cacboxylate, imidazolates…) tạo ra
sự tương thích sinh học Ngoài ra do đặc điểm của phương pháp “tổng hợp mạnglưới”, các nhóm chức trên khung sườn và kích thước lỗ xốp của vật liệu MOF cóthể được biến tính theo mong muốn nên vật liệu MOF có tiềm năng ứng dụng nhưchất mang phân phối thuốc có định vị với tốc độ phân phối được kiểm soát Tínhchất này sẽ làm tăng hiệu quả điều trị và hạn chế các tác dụng phụ của dược phẩm[8] Những ưu điểm độc đáo của vật liệu MOFs ứng dụng trong dẫn truyền thuốc:
Một vật liệu có thể thay đổi, không chỉ có cấu trúc xốp, bề mặt riêng lớn màtính chất hóa học có thể được điều chỉnh qua sự thay đổi của các kim loại hoặc củacác ligand hữu cơ [8]
Với lượng lớn các thành phần hóa học tùy chọn khác nhau, MOFs có thể dễdàng nhận ra bề mặt chức năng linh hoạt của vật liệu khác, có nhiều khả năng để lựachọn thành phần thích hợp tạo ra MOFs ứng dụng trong dẫn truyền thuốc [8]
Diện tích bề mặt lớn (BET bề mặt lên tới 6240 m2.g-1 đối với MOF-210) chobiết có tiềm năng lớn trong việc vận chuyển các phận tử sinh học [8]
Kích thước lỗ rỗng lớn (lên đến 6nm) tạo điều kiện cho việc bao bọc thuốc[8]
Trang 6MIL-100 và MIL-101 xây dựng từ trimer của octahedra kim loại và axit di- hoặctricarboxylic Chúng được ngậm trong nước và lỗ rỗng khổng lồ (25-34 Ao) vàdiện tích bề mặt chưa từng thấy (3100-5900m2/g ) [9], MIL-53 cũng được sử dụngtrong dẫn truyền thuốc, MIL-53 (Fe) như là một chất mang trong đó có cấu trúc linhhoạt và khả năng phân phối thuốc của nó sử dụng như mô hình thuốc [9], [10], khảnăng hấp phụ và dẫn truyền thuốc kháng viêm, thuốc giảm đau ibuprofen.
Trang 7CHƯƠNG II : MOFs ỨNG DỤNG TRONG DẪN TRUYỀN THUỐC KHÁNG VIÊM IBUPROFEN.
2.1 Giới thiệu vật liệu medi-MOF-1và thuốc kháng viêm Ibuprofen [11]
Vật liệu MOFs học được tổng hợp từ kim loại và các ligand hữu cơ thân thiệnvới sinh học được ứng dụng trong sinh học Các ligand hoạt tính sinh học MOFsứng dụng trong y sinh được các nhà khoa học quan tâm, các ligand có nguồn gốcsinh học ở dạng tự nhiên thường ít tốn kém so với các ligand khác có nguồn gốc từcác sản phẩm không thể tái tạo được Các ligand hữu cơ bổ sung như 4, 4'-bipyridine và biphenyldicarboxylate được sử dụng để tăng chiều và độ cứng củakhung hiện có và tạo ra khoảng hở tiếp cận, chẳng hạn như bio-MOF-1, bio-MOF-100và [Ni2 (L-Asp) 2 (4,4'-bipyridine) Một dược phẩm hoạt tính sinh học,Curcumin (Cur), được sử dụng như là các khối kiến tạo để tạo MOFs y học với kimloại tương thích sinh học (Zn)
2.1.1 Cấu trúc vật liệu medi-MOF-1 [11]
Curcumin (1,7-bis (4-hydroxy-3-metoxyphenyl) -1,6-heptadiene- 3,5-dione), vớitên gọi chung của diferuloyl metan, là một diketone polyphenolic tự nhiên kỵ nước
mà có nguồn gốc từ củ nghệ Nó cũng được biết đến như là một sắc tố màu tự nhiên
và một phụ gia thực phẩm ở châu Á trong nhiều thế kỷ, và an toàn cho con người.Chất Cur sở hữu nhiều tính năng phòng bệnh bao gồm hoạt động chống oxy hóa,chống viêm, chống ung thư, hoạt động chống HIV, vv Cấu trúc của chất Cur là vớicác liên hợp cao phân 1,3-diketone có thể tồn tại trong nhiều hình thức tautomeric ,bao gồm 1,3-diketo và dạng enol tương đương (hình 2.1)
Dạng enol Dạng ketone
Hình 2.1 Các dạng tồn tại của Curcumin
Trang 8Toàn bộ phân tử của chất curcumin phẳng và cứng rắn, mà đó lợi ích việc hình thành của các khuôn khổ xốp và ổn định.
2.1.2 Thuốc kháng viêm IBUPROFEN
Là thuốc kháng viêm không steroid, dẫn xuất từ axit propionic
Ibuprofen có tác dụng giảm đau, hạ sốt, kháng viêm
Hình 2.2 Công thức cấu tạo của Ibuprofen
75oC trong 3 ngày để đạt được các tinh thể màu đỏ với kích thước khoảng 300μm.Các tinh thể được lấy và rửa với DMF( 3x5 mL) và sấy khô trong không khí ( hiệusuất: 85% )
2.2.1.2 Tính chất medi-MOF-1 [11]
2.2.1.2.1 Độ bền nhiệt
Trang 9Phân tích nhiệt trọng lực (TGA) được thực hiện từ nhiệt độ phòng đến 800oC với
độ bền nhiệt độ 10oC.min-1, sử dụng Perkin- Elmer
2.2.1.2.2 Độ bền trong dung môi
Cho 10mg medi-MOF-1 được ngâm tương ứng trong ethanol, CH2Cl2, n-hexane,PBS (dung dịch muối đệm phosphate) và nước ở nhiệt độ phòng trong 3 ngày
2.2.1.2.3 Tính chất xốp của vật liệu
Sự hấp thụ khí N2 và giải hấp đẳng nhiệt được đo trên máy đo hấp thụ AutosorbiQ2, Quantachrome Sự hấp thụ đẳng nhiệt được đo tại 77K trong một bồn nitolỏng
Các mẫu chất rắn medi-MOF-1 được ngâm trong CH2Cl2 trong vòng 24h (3 lần).Sau đó chất rắn được xử lí dưới chân không ở 100oC trong 8 tiếng và cuối cùng đem
đi đo lường
2.2.2 Quá trình giải phóng ibuprofen [11]
2.2.2.1 Sự kết hợp ibuprofen vào trong medi-MOF-1
Các medi-MOF-1 và mẫu ibuprofen được cân và chuyển đến các tế bào đườngkính 9mm Medi-MOF-1 đã được hoạt hóa hoàn toàn tại 100oC và mẫu ibuprofentại 65oC để tránh sự suy thoái các phân tử thuốc.
Một quy trình điển hình để chuyển ibuprofen trong medi-MOF-1 được miêu tảnhư sau: ibuprofen được đưa vào vật liệu bằng cách cho 200mg vật liệu đã hoạt hóatrong 10mL dung dịch ibuprofen hexane 0,1M được khuấy đều trong 12 tiếng đểngăn chặn sự bay hơi của hexane Các chất rắn ibuprofen được thu hồi bằng cáchlọc, rửa bằng hexane để loại bỏ ibuprofen và sấy khô ở 100oC để loại bỏ hexane cònlại Chất lọc thu được đem đi hút và pha loãng để tính toán lượng ibuprofen chuyểnvào chất rắn xốp bẳng phổ UV-Vis Cấu trúc của medi-MOF-1 được giữ lại sau khihấp phụ thuốc, có thể chứng minh bằng cách đo PXRD thực nghiệm
2.2 2.2 Thực nghiệm giải phóng Ibuprofen [11]
Cho 10mg các mẫu thuốc nạp được phân tán trong 5mL chất mô phỏng (PBS,pH= 7.4, dung dịch đệm ) và được bịt kín trong túi lọc máu (khối lượng phân tử
=8000) Sau đó túi lọc máu ngập trong 55mL dung dịch PBS tương ứng và khuấyđều ở 30oC trong 80 tiếng, 3mL mẫu được lấy tại khoảng thời gian xác định và phân
Trang 10tích hàm lượng chất giải phóng ibuprofen bằng phổ UV/Vis tại bước sóng 222nm.Sau đó, dung dịch đệm PBS được thêm vào để giữ khối lượng không đổi.
2.2.3 Sự phân hủy medi-MOF-1 trong ống nghiệm [11]
Sự phân hủy tinh thể medi-MOF-1 được nghiên cứu bằng cách tạo hệ keo 2mgvật liệu medi-MOF-1 và mẫu có thuốc ibuprofen trong 5mL dung dịch muối đệmphotphate (pH=7.4) ở 37oC Chuẩn bị hệ keo medi-MOF-1 trong PBS Khuấy đềudung dịch ở các khoảng nhiệt độ xác định Sau đó, đem dung dịch đi ly tâm ( 10000rpm, 3 phút) và rửa sạch với nước 3 lần Sau đó đem chất rắn thu được hòa tantrong 5mL ethanol để phát hiện nồng độ của chất curcumin bị phân hủy từ vật liệu.Hàm lượng chất curcumin liên kết hữu cơ được định lượng bằng phổ UV/Vis vớibước sóng 425nm
2.2.4 Thí nghiệm độc tính tế bào in vitro [11]
Nuôi cấy tế bào: Các độc tế bào của các tế bào trong sự hiện diện của MOF-1 được nghiên cứu bằng MTT (3-[ 4,5-dimethylthialzol-2-yl]-2,5-dimethyltetrazolium bromide, Sigma) Trong khảo nghiệm MTT, các tế bào ung thưtuyến tụy (BxPC-3) được ủ trong lớp tế bào DMEM có 5% huyết thanh bào thai(FBS, Gibco) và penicillin/ streptomycin (100 U/mL và 100μg/mL, Gibco) dướikhông khí 5% CO2 ở 37oC
medi-Khả năng di động: tế bào BxPC-3 được cấy vào 96 đĩa với mật độ mỗi đĩa là8x103 trong 100μL dung dịch DMEM để phát triển qua đêm Sau đó, medi-MOF-1(sau khi mài) tương ứng nồng độ Zn(OAc)2.2H2O và chất curcumin lần lượt đượcthêm vào các tế bào với các nồng độ khác nhau từ 0 đến 50μg/mL trong 72 tiếng.Sau khi ủ, sau 4 tiếng thêm vào mỗi đĩa 10mL dung dịch MTT (5 mg/mL phosphatenước muối đệm) Các tinh thể kết tủa màu tím formazan được hòa tan trong 100 mLSDS 10%, trong 10 mmol dung dịch HCl ở 37oC qua đêm Cường độ màu của dungdịch formazan phản ánh tình trạng tăng trưởng tế bào, được đo ở 570nm bằng đầuđọc microplate
2.3 Kết quả và biện luận [11]
2.3.1 Phân tích cấu trúc tinh thể
Trang 11Hình 2.3 a)Hình ảnh kính hiển vi các tinh thể medi-MOF-1; b) Hình ảnh của đơn
loại-tử O liền kề nhau trên vòng thơm trong một kiểu bidentate bắc cầu Các nguyên loại-tử
O bắc cầu là các nhóm hydroxyl và liên kết mạnh mẽ với kim loại (Zn-Ohy: 2,014 Å) Tuy nhiên, sự gắn kết của các nguyên tử O của nhóm methoxyl và Zn (II)
1,955-là tương đối yếu (Zn-Ome: 2,230 và 2,422 Å) Các nhóm 1, 3-diketone trên curcuminhoạt động như nhóm liên kết thứ ba của các mối liên kết, phổ biến trong các phứcchất curcumin kim loại (Hình 2.4b) Bằng cách phân tích phối hợp của độ dài liênkết, có thể xác nhận các hình thức tautomeric của 1,3-diketone trong MOF-1 làdạng enol Nó phù hợp với dự đoán lý thuyết rằng các hình thức enol của curcumin
là năng lượng ổn định hơn diketone
Như thể hiện ở hình 2.4c, các Zn (II) trimer tiếp tục được liên kết với nhau bởicác nguyên tử O trên vòng thơm của curcumin để mang lại chuỗi Zn-curcumin,(Hình 2.4d) Khi hình thành bộ khung mở 3D, các chuỗi được đồng hóa trị liên kếtvới các nguyên tử O của 1,3-diketone trên một chuỗi của hai vùng Zn2 của mỗi Zn