Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano từ polyme với ag, fe3o4 và đánh giá khả năng ứng dụng

TR B GIÁO D C VÀ ÀO T O NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I - NGUY N NG C TH NH NGHIÊN C U T NG H P, C TR NG V T LI U T H P C U TRÚC NANO T POLYME V I Ag, Fe3O4 VÀ ÁNH GIÁ KH N NG NG D NG LU N ÁN TI N S HÓA H C Hà N i – 2015 TR B GIÁO D C VÀ ÀO T O NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I - NGUY N NG C TH NH NGHIÊN C U T NG H P, C TR NG V T LI U T H P C U TRÚC NANO T POLYME V I Ag, Fe3O4 VÀ ÁNH GIÁ KH N NG NG D NG Chuyên ngành: Hóa lý thuy t Hóa lý Mã s : 62440119 LU N ÁN TI N S HÓA H C NG IH NG D N KHOA H C PGS TS TR N PGS TS V I LÂM ÌNH HỒNG Hà N i – 2015 L I CAM OAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên c u c a riêng d d n c a PGS TS Tr n i Lâm PGS TS V is h ng ình Hoàng Các s li u, k t qu nêu lu n án trung th c ch a t ng đ c công b b t c cơng trình khác T p th h PGS.TS Tr n i Lâm ng d n PGS TS V Tác gi lu n án ình Hồng Nguy n Ng c Th nh L IC M Tr c tiên, xin đ PGS.TS Tr n tình h c g i l i c m i Lâm PGS.TS V N n chân thành sâu s c nh t t i ình Hồng, nh ng ng i th y nhi t ng d n su t th i gian làm nghiên c u khoa h c, h t lịng giúp đ tơi v m i m t th i gian làm nghiên c u sinh đ tơi hồn thành lu n án Xin trân tr ng c m n lãnh đ o Vi n K thu t Hóa h c, Vi n h c, Tr ng t o sau i H Bách khoa Hà N i đào t o t o u ki n v th i gian công vi c su t th i gian th c hi n lu n án Xin trân tr ng c m n đ ng nghi p t i B mơn Hóa Vơ c – B mơn Hóa lý, Tr ng ic ng, H Bách khoa Hà N i đào t o t o u ki n v th i gian công vi c su t th i gian th c hi n lu n án Xin chân thành cám n PGS.TS Tr n Th Nh Mai, Tr Hà N i; TS V Th Thu, Tr ng ng i h c Qu c gia i h c Khoa h c Công ngh Hà N i; TS Tr n V nh Hoàng, NCS Bùi ình Long,ThS Nguy n Lê Huy, Tr ng i h c Bách khoa Hà N i; ThS Nguy n H i Bình, Vi n Khoa h c V t li u; PGS Ph m Gia i n, NCS Nguy n Th Ngoan, ThS Bá Th Châm, Vi n Hóa h c, Vi n Hàn lâm khoa h c Công ngh Vi t Nam; GS G Martra, M.G Faga, Tr ng i h c T ng h p Turin (Italia) s h tr nhi t tình nh ng đóng góp chun mơn q báu Xin chân thành cám n ng i thân b n bè bên, giúp đ đ ng viên su t th i gian làm lu n án Cu i xin dành nh ng l i c m n sâu n ng nh t đ n nh ng ng th i thân ng gia đình tơi: B , m , v , giành cho tơi nh ng tình c m, đ ng viên, chia s cho r t nhi u nh ng n m tháng làm vi c v t v Nghiên c u sinh Nguy n Ng c Th nh M cl c DANH M C CÁC CH VI T T T i DANH M C CÁC B NG iii DANH M C HÌNH V iv M U 1 T NG QUAN 1.1 V t li u nano 1.1.1 Gi i thi u 1.1.2 Phân lo i v t li u nano 1.1.3 Các ph ng pháp ch t o v t li u nano 1.2 Chitosan 1.2.1 Gi i thi u 1.2.2 M t s tính ch t c a chitosan 1.2.3 Ch t o v t li u nano chitosan v t li u c u trúc nano n n chitosan 11 1.2.4 Tình hình nghiên c u n c v v t li u nano chitosan v t li u c u trúc nano n n chitosan 15 1.3 H t nano s t t (Fe3O4) 17 1.3.1 M t s tính ch t c a h t s t t 17 1.3.2 Ch t o v t li u nano s t t v t li u t h p c u trúc nano có ch a h t nano s t t 20 1.4 H d n truy n thu c 23 1.4.1 Các h d n thu c c s v t li u nano 23 1.4.2 Curcumin 25 1.5 C m bi n sinh h c 27 1.5.1 Gi i thi u 27 1.5.2 ng d ng polyme d n làm v t li u n c c 29 1.5.3 ng d ng v t li u t h p h u c – vô c c u trúc nano ch t o c m bi n sinh h c 34 1.5.4 C m bi n glucose (GOx sensors) 35 1.5.5 C m bi n cholesterol (ChOx sensors) 36 1.6 V t li u nano ng d ng h p ph kim lo i n ng 37 1.6.1 Gi i thi u 37 1.6.2 ng d ng v t li u t h p c u trúc nano n n chitosan h p ph kim lo i n ng 38 TH C NGHI M VÀ PH NG PHÁP NGHIÊN C U 40 2.1 Nguyên li u hóa ch t 40 2.2 K thu t th c nghi m 40 2.2.1 T ng h p v t li u nano chitosan v t li u c u trúc nano n n chitosan 40 2.2.2 T ng h p v t li u t h p c u trúc nano n n polyme d n ng d ng làm v t li u c m bi n sinh h c 41 2.3 Ph ng pháp kh o sát tính ch t v t li u 44 2.3.1 Ph ng pháp hi n vi n t quét (SEM) 44 2.3.2 Ph ng pháp hi n vi n t truy n qua (TEM) 44 2.3.3 Ph ng pháp nhi u x tia X (XRD) 45 2.3.4 Ph ng pháp ph h p th UV-Vis 45 2.3.5 Ph ng pháp t k m u rung (VSM) 45 2.3.6 Ph ng pháp ph h ng ngo i (IR) 45 2.3.7 Các ph 2.3.8 Ph ng pháp nghiên c u n hóa 46 ng pháp th ho t tính kháng khu n 47 2.3.9 Các phân tích n hóa 48 2.3.10 ng đ ng nhi t h p ph đ ng h c h p ph 50 T NG H P, C TR NG V T LI U T H P C U TRÚC NANO TRÊN N N CHITOSAN 53 3.1 V t li u nano gossypol chitosan (GPCS) 53 3.1.1 C u trúc c a v t li u nano GPCS 53 3.1.2 Hình thái c a v t li u GPCS 55 3.2 V t li u nano b c/chitosan (Ag/CS) 56 3.2.1 C u trúc c a v t li u nano Ag/CS 56 3.2.2 Hình thái c a nano Ag/CS 58 3.2.3 Kh o sát đ ng h c c a ph n ng t ng h p nano Ag/CS 60 3.3 V t li u nano oxit s t t /chitosan (Fe3O4/CS) 66 3.3.1 C u trúc c a v t li u nano Fe3O4/CS 66 3.3.2 Hình thái c a v t li u nano Fe3O4/CS 69 3.3.3 Tính ch t t c a v t li u nano Fe3O4/CS 70 T NG H P, C TR NG V T LI U T H P C U TRÚC NANO TRÊN N N POLYME D N 72 4.1 V t li u Fe3O4/polypyrrol (Fe3O4/PPy) 72 4.2 V t li u nano Fe3O4/polyanilin/poly(styrene-co-acrylic acid) (Fe3O4/ PANi/PSA) 74 NGHIÊN C U ÁNH GIÁ KH N NG NG D NG C A V T LI U T H P C U TRÚC NANO TRÊN N N CHITOSAN, POLYANILIN VÀ POLYPYRROL 77 5.1 V t li u nano GPCS Fe3O4/CS d n truy n curcumin 77 5.1.1 V t li u nano GPCS d n truy n curcumin 77 5.1.2 V t li u nano Fe3O4/CS d n truy n curcumin 81 5.2 V t li u nano Fe3O4/CS h p ph kim lo i n ng 84 5.2.1 V t li u nano Fe3O4/CS h p ph Ni(II) Pb(II) 85 5.2.2 V t li u nano Fe3O4/CS h p ph Cr(VI) 86 5.3 V t li u nano Ag/CS kháng khu n c ch t bào ung th 93 5.4 V t li u t h p c u trúc nano n n polyme d n ch t o c m bi n sinh h c n hóa 96 5.4.1 V t li u Fe3O4/PPy ng d ng ch t o c m bi n sinh h c n hóa xác đ nh glucose 96 5.4.2 V t li u Fe3O4/PANi/PSA ng d ng ch t o c m bi n sinh h c n hóa xác đ nh cholesterol 99 K T LU N 109 NH H NG NGHIÊN C U TI P THEO 111 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH Ã CƠNG B C A LU N ÁN 112 TÀI LI U THAM KH O 114 PH L C 125 DANH M C CÁC CH AA Axit ascorbic AC Acetaminophen Ag/CS Ag/chitosan AgNPs H t nano b c AuNPs H t nano vàng ChOx CS Cholesterol oxidase chitosan Cur Curcumin CV Ph DLS Tán x laser FDA C cd FESEM Fe3O4/CS EDC VI T T T ng pháp th vòng c ph m Hoa k Hi n vi n t phát x tr ng Fe3O4/chitosan N-ethyl-N’-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride GP Gossypol GOx Glucose oxidase IR Ph h ng ngo i IC50 N ng đ c ch 50% PANi Polyanilin PSA Poly(styrene-co-acrylic acid) PBS Dung d ch mu i đ m phosphat PPy Polypyrrol PVA Poly vinyl alcol PECL poly( -caprolacton) MIC N ng đ MBC N ng đ di t khu n t i thi u c ch t i thi u i NCMCS NHS N-cacboxymetyl chitosan N-hydroxysuccinimide OCMCS O-cacboxymetyl chitosan SEM Kính hi n vi n t quét SWV Ph TEM Kính hi n vi n t truy n qua UA UV vis XRD ng pháp Vơn-Ampe sóng vng Axit uric Ph h p th electron Gi n đ nhi u x tia X ii DANH M C CÁC B NG B ng 1-1 M t s ph ng pháp u ch h t nano chitosan làm ch t d n lo i thu c, protein khác [1, 47, 50, 56, 63, 93] 12 B ng 3-1 Các v trí h p th c a ch t ph n ng 54 B ng 3-2 Kích th c c a h t nano Ag u ki n ph n ng khác 60 B ng 3-3 Th i gian đ h p ph c a ph n ng u ki n nhi t đ 80oC, [Ag+] = 3,33.10-3 mmol/l, [CS] = 0,33 mg/l 62 B ng 3-4 Giá tr t c đ ph n ng nhi t đ khác 65 B ng 3-5 Các v trí h p th c a m u chitosan, Fe3O4, Fe3O4/CS 67 B ng 5-1 Các thông s c a trình h p ph Ni(II) Pb(II) b ng Fe3O4/CS 86 B ng 5-2.Các thông s c a ph ng trình đ ng nhi t Langmuir 90 B ng 5-3 Thơng s ph ng trình đ ng h c b c m t 91 B ng 5-4 Thông s ph ng trình đ ng h c b c hai 92 B ng 5-5 So sánh kh n ng h p ph Cr(VI) v i m t s v t li u h p ph [26, 42] 93 B ng 5-6 Ho t tính kháng khu n c a nano Ag/CS 94 B ng 5-7 Giá tr IC50 xác đ nh đ i v i dòng t bào HepG2, Lu, MCF-7 KB 94 B ng 5-8 Quan h gi a t c đ quét c ng đ dòng kh , oxy hóa 101 B ng 5-9 C ng đ dòng thêm cholesterol vào h n hóa 104 B ng 5-10 nh y c a c m bi n 106 iii and poly(styrene-co-acrylic acid) magnetic microspheres on polyaniline films for amperometric cholesterol biosensing Analytical Methods, Volume 5, Issue 6, Pages 1392-1398 71 N.G Wang, L.F Zhou, M.H Guan and H.P Lei (1987) “Effect of (−)- and (+)gossypol on Fertility in Male Rats.” Journal of Ethnopharmacology 20: 21–24 72 P Przybylski, M Ratajczak-Sitarz, A Katrusiak, W Schilf, G Wojciechowski and B Brzezinski (2003) “Crystal Structure of Schiff Base Derivative of Gossypol with 3,6,9-trioxa-decylamine.” Journal of Molecular Structure 655: 293–300 73 P Przybylski, M Ratajczak-Sitarz, A Katrusiak, W Schilf, G Wojciechowski and B Brzezinski.(2007) 13C, 15N CP-MAS as well as FT-IR studies of gossypol derivatives with aromatic substituents in solid Journal of Molecular Structure 826 , 150-155 74 P.H Wang, C.Y Pan (2002) Preparation of styrene/acrylic acid copolymer microspheres: polymerization mechanism and carboxyl group distribution Colloid & Polymer Science 280: 152–59 75 P.R.Gil, D.Hühn, L.L del Mercato, D.Sasse, W J Parak “Nanopharmacy: Inorganic Nanoscale Devices as Vectors and Active Compounds.” Pharmacological Research 76 P.Sanpui, A.Murugadoss, P.V.D.Prasad, S.S.Ghosh, A.Chattopadhyay (2008)The Antibacterial Properties of a Novel chitosan–Ag-nanoparticle Composite, International Journal of Food Microbiology 124: 142–46 77 Przybylski P, Pyta K, Ratajczak-Sitarz M, Katrusiak A, Brzezinski B 2008 “Xray, FT-IR, ESI MS and PM5 Studies of Schiff Base of Gossypol with Allylamine and Its Complexes with Alkali Metal Cations and Perchlorate Anion.”Structural Chemistry 19: 983–95 78 Q.A.Pankhurst, N.K.T.Thanh, S.K.Jones, J.Dobson (2009) “Progress in Applications of Magnetic Nanoparticles in Biomedicine.” Journal of Physics D: Applied Physics 42: 224001–14 121 79 R J Hron, P S Koltun, J Pominski and G Abraham (1987) The Potential Commercial Aspects of Gossypol.Journal of the American Oil Chemists’ Society 76: 1315–19 80 R K Dat, N Kasoju, U Bora (2010) “Encapsulation of Curcumin in Alginatechitosan-pluronic Composite Nanoparticles for Delivery to Cancer Cells.Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 6: 153–60 81 R.P Singh, J.W Choi (2009) Biosensors development based on potential target of conducting polymers Sensors & Transducers Journal 104: 1–18 82 S Bhadra, D Khastgir, N.K Singha, J.H Lee (2009)Progress in preparation, processing and applications of polyaniline Prog Polym Sci 34: 783–810 83 S Bisht, G Feldmann, S Sony, R Ravi, C Karikar, A Maitra, A Maitra 2007 Polymeric Nanoparticle-encapsulated Curcumin (‘nanocurcumin’): a Novel Strategy for Human Cancer Therapy.Journal of Nanobiotechnology 84 S Singh, P.R Solanki, M.K Pandey, B.D Malhotra (2006) Cholesterol biosensor based on cholesterol esterase, cholesterol oxidase and peroxidase immobilized onto conducting polyaniline films Sensors and Actuators B: Chemical 115: 534–41 85 S Wei, Y Zhang, J Xu 2001 “Preparation and properties of poly(acrylic acidco-styrene)/Fe3O4 nanocomposites” J Polym Res 18: 125–30 86 S.-C Hsiao, J.-L Ou, Y Sung, C.-P Chang, M.-D Ger 2010 “Preparation of Sulfate- and Carboxyl-functionalized Magnetite/Polystyrene Spheres for Further Deposition of Gold Nanoparticles” Colloid & Polymer Science 288: 787–94 87 Sok Yee Yew, Gajendra Shekhawat, Nishima Wangoo, Subodh Mhaisalkar, CR aman Suri, Vinayak P Dravid and Yeng Ming Lam (2011) Design of Single Peptides for Self-assembled Conduction Channels.Nanotechnology 22: 560–66 88 T.D.Lam, V.D.Hoang, L.N.Lien, N.N.Thinh, P.G.Dien (2006) Synthesis and Characterization of Chitosan Nanoparticles Used as Drug Carrier.Vietnam Journal of Chemistry 44: 105–9 89 T.K.Jain, S.P.Foy, B.Erokwu, S.Dimitrijevic, C.A.Flask, V.Labhasetwar 2009 “Magnetic Resonance Imaging of Multifunctional Pluronic Stabilized Iron-oxide Nanoparticles in Tumor-bearing Mice.” Biomaterials 30: 6748–56 122 90 T.T Luong, T.P Ha, L.D Tran, M.H Do, T.T Mai, N.H Pham, H.B.T Phan, G.H.T Pham, N.M.T Hoang, Q.T Nguyen, P.X Nguyen (2011) “Design of carboxylated Fe3O4/poly(styrene-co-acrylic acid) ferrofluids with highly efficient magnetic heating effect”; Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 384,pp 23-30 91 T.Rheinlander, R.Kotitz, W.Weitschies, W Semmler 2000 “Different Methods for the Fractionation of Magnetic Fluids.” Colloid & Polymer Science 278: 259– 63 92 U.Gneveckow, A.Jordan, R.Scholz, V.Bruss, N.Waldofner 2004 “Description and Characterization of the Novel Hyperthermia- and Thermoablation-system MFH®300F for Clinical Magnetic Fluid Hyperthermia.”Medical Physics 31: 1444–51 93 V R Sinha, A K Singla, S Wadhawan, R Kaushik, R Kumria, K Bansal and S Dhawan 2004 “Chitosan Microspheres as a Potential Carrier for Drugs.” International Journal of Pharmaceutics 274: 1–33 94 Virender K Sharma, Ria A Yngard, Yekaterina Lin 2009 “Silver Nanoparticles: Green Synthesis and Their Antimicrobial Activities.”Advances in Colloid and Interface Science 145: 83–96 95 W.Songping, M.Shuyuan 2005 “Preparation of Ultrafine Silver Powder Using Ascorbic Acid as Reducing Agent and Its Application in MLCI.” Materials Chemistry and Physics 89: 423–27 96 X Liu, Y Guan, H Liu, Z Ma, Y Yang, X Wu 2005 “Preparation and characterization of magnetic polymer nanospheres with high protein binding capacity” J Magn Mater 293: 111–18 97 Xiong R, Lu C, Zhang W, Zhou Z, Zhang X 2013 “Facile synthesis of tunable silver nanostructures for antibacterial application using cellulose nanocrystals” Carbohydr Polym ;95:214–9 98 X Zhai, S Efrima 1996 Reduction of Silver Ions to a Colloid by Eriochrome Black T.J Phys Chem 100: 1779–85 123 99 Y Chen, E.T Kang, K.G Neoh, K.L Tan 2000 “Covalent immobilization of invertase onto the surface-modified polyaniline from graft copolymerization with acrylic acid” Eur Polym J 36: 2095–2103 100 Y.Kim, K.Seff 1997 “Structure of a Very Small Piece of Silver Metal The Octahedral Silver (Ag6) Molecule Two Crystal Structures of Partially Decomposed Vacuum-dehydrated Fully Silver(1+) Ion-exchanged Zeolite” J Am Chem Soc 99: 7055–57 101 Y.Shiraishi, D.Arakawa, N.Toshima (2002) “pH-dependent Color Change of Colloidal Dispersions of Gold Nanoclusters: Effect of Stabilizer” The European Physical Journal E 8: 377–83 124 PH L C Ph l c 1: Gi n đ nhi u x tia X Gi n đ nhi u x tia X c a nano Fe3O4 Gi n đ nhi u x tia X c a nano Fe3O4/CS t l 2:1 125 Gi n đ nhi u x tia X c a nano Fe3O4/CS t l 1:4 Ph l c 2: Ph h p th h ng ngo i Ph h p th h ng ngo i c a nano Fe3O4 126 Ph h p th h ng ngo i c a CS Ph h p th h ng ngo i Fe3O4/CS t l 1:4 127 Ph l c 3: nh kính hi n vi n t a) S1 b) S2 c) S3 d) S4 nh TEM c a nano Ag/CS a) S1 (30 C), b) S2 (50 C), c) S3 (80oC), b) S4 (80oC) (t=6h, [Ag+]= 3.33.10-3 mmol/l, [CS]= 133.3 mg/L S1, S2, S3; t=6h, [Ag+]= 3.33.10-3 mmol/l, [CS]= 0.33 mg/L S4 ) o o 128 a b c d e f nh hi n vi th hi n bi n đ i hình thái t bào c a dịng t bào HepG2 sau 72 gi x lý có nano Ag/CS t i n ng đ khác nhau: 100 µg/ml (a), 25 µg/ml (b) 6.25 µg/ml (c) khơng có nano Ag/CS (d) 129 a b c d e f nh hi n vi th hi n bi n đ i hình thái t bào c a dịng t bào Lu sau 72 gi x lý có nano Ag/CS t i n ng đ khác nhau: 100 µg/ml (a), 25 µg/ml (b) 6.25 µg/ml (c) khơng có nano Ag/CS (d) 130 a b c d e f nh hi n vi th hi n bi n đ i hình thái t bào c a dòng t bào MCF7 sau 72 gi x lý có nano Ag/CS t i n ng đ khác nhau: 100 µg/ml (a), 25 µg/ml (b) 6.25 µg/ml (c) khơng có nano Ag/CS (d) 131 a b c d e f nh hi n vi th hi n bi n đ i hình thái t bào c a dòng t bào KB sau 72 gi x lý có nano Ag/CS t i n ng đ khác nhau: 100 µg/ml (a), 25 µg/ml (b) 6.25 µg/ml (c) khơng có nano Ag/CS (d) 132 nh TEM c a nano Fe3O4 (a) Fe3O4/CS (b,c) 133 a b c d nh SEM (a) h t nano Fe3O4 ; (b) màng Ppy (c) màng Ppy-Fe3O4 trùng h p b ng ph ng pháp n hóa; (d) màng PPy-Fe3O4/GOx 134 a d c nh SEM TEM c a h t nano Fe3O4/PSA (a,b), màng Pt/PANi (c) màng PANi/Fe3O4/PSA-ChOx (d) 135 ...TR B GIÁO D C VÀ ÀO T O NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I - NGUY N NG C TH NH NGHIÊN C U T NG H P, C TR NG V T LI U T H P C U TRÚC NANO T POLYME V I Ag, Fe3O4 VÀ ÁNH GIÁ KH N NG... n đ tài nghiên c u c a lu n án ? ?Nghiên c u t ng h p, đ c tr ng v t li u t h p c u trúc nano t polyme v i Ag, Fe3O4 đánh giá kh n ng ng d ng” M c tiêu c a lu n án - M c tiêu c a lu n án nghiên. .. Nghiên c u đánh giá kh n ng ng d ng c a lo i v t li u t h p c u trúc nano t ng h p đ c y sinh h c môi tr ng - Nghiên c u g n curcumin (Cur) ch t có ho t tính tr li u q vào nano CS Fe3O4/ CS Nghiên