Mạng lưới 3D-nano-cellulose (M3NC) có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và các hệ thống phân phối thuốc tiên tiến. Vật liệu M3NC tạo ra từ Acetobacter xylinum trong môi trường chuẩn (MTC), nước dừa (MTD) và nước vo gạo (MTG) được đánh giá một số đặc tính của vật liệu trước và sau nạp curcumin.
Nguyễn Xn Thành Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 184(08): 83 - 88 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG LƯỚI 3D-NANO-CELLULOSE NẠP CURCUMIN ĐƯỢC SẢN XUẤT TỪ VI KHUẨN ACETOBACTER XYLINUM Nguyễn Xuân Thành* Viện Nghiên cứu Khoa học Ứng dụng - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội TÓM TẮT Mạng lưới 3D-nano-cellulose (M3NC) có nhiều ứng dụng lĩnh vực y sinh hệ thống phân phối thuốc tiên tiến Vật liệu M3NC tạo từ Acetobacter xylinum môi trường chuẩn (MTC), nước dừa (MTD) nước vo gạo (MTG) đánh giá số đặc tính vật liệu trước sau nạp curcumin Kết chụp FESEM cho thấy M3NC tạo từ MTC MTD gồm sợi cellulose có cấu trúc ổn định, khơng có thay đổi nhiều cấu trúc trước sau nạp curcumin Đo phổ FT-IR xác định khơng có hình thành liên kết cộng hóa trị M3NC curcumin khơng có thay đổi thành phần hóa học curcumin trình nạp vào M3NC Vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin độ dày 0,5 cm có khả hấp thụ nước so với vật liệu độ dày cm Vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin có khả nước chậm Từ khóa: Acetobacter xylinum; curcumin; đặc tính; mạng lưới 3D-nano-cellulose (M3NC); vật liệu MỞ ĐẦU* Mạng lưới 3D-nano-cellulose (M3NC) vật liệu tạo vi khuẩn Acetobacter xylinum (A xylinum) cấu trúc hóa học giống cellulose thực vật có số tính chất hóa lý đặc biệt đường kính sợi nhỏ (cỡ nanomet), độ tinh khiết cao, độ polymer hóa lớn, độ bền học khả thấm hút nước cao,… Vì M3NC ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghệ Trong lĩnh vực y học, M3NC nghiên cứu dùng làm tá dược, mặt nạ dưỡng da, mạch máu nhân tạo, màng sinh học trị bỏng đặc biệt sử dụng làm hệ vận chuyển phân phối thuốc [1], [2], [5], [7], [9] Huang cộng sử dụng M3NC lên men từ môi trường chuẩn (Hestrin Schramm) dùng cho vận chuyển giải phóng berberine in vitro [7] Kết nghiên cứu khác cho thấy M3NC lên men từ mơi trường chuẩn có tiềm làm hệ vận chuyển phân phối thuốc qua đường uống [5] Sun cộng đánh giá hệ thống vận chuyển phân phối thuốc tiềm cho curcumin bao gồm liposome, hạt nano polymer, hạt nano lipid rắn, mixen, nanosuspension, dạng nhũ tương * Tel: 0912 478845, Email: nguyenxuanthanh@hpu2.edu.vn nano,… cho kết triển vọng nhằm cải thiện hoạt động sinh học curcumin [8] Nghiên cứu nhằm đánh giá số đặc tính vật liệu M3NC nạp curcumin tạo từ môi trường chuẩn (MTC), nước dừa (MTD) nước vo gạo (MTG) định hướng sử dụng tạo vật liệu giúp vận chuyển phân phối curcumin PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hóa chất trang thiết bị Curcumin (95%; Apollo, Ấn Độ); cao nấm men (Sigma-Aldrich, Mỹ); pepton (ECHA, European Union); hóa chất khác đạt tiêu chuẩn dùng phân tích Máy khuấy từ gia nhiệt (IKA, Đức); nồi hấp khử trùng (HV110/HIRAIAMA, Nhật Bản); buồng cấy vô trùng (Haraeus, Đức); cân phân tích (Sartorius, Thụy Sỹ); kính hiển vi điện tử quét FESEM (Hitachi S-4800, Nhật Bản); máy đo phổ FT-IR (IRA ffinity - 1S SHIMADZU, Nhật Bản); máy lắc tròn tốc độ chậm (Orbital Shakergallenkump, Anh); tủ sấy, tủ ấm (Binder, Đức), số dụng cụ nghiên cứu khác Chủng vi khuẩn môi trường nuôi cấy Chủng vi khuẩn: Vi khuẩn Acetobacter xylinum phân lập ni cấy phịng Vi sinh – Động vật, Viện Nghiên cứu Khoa học Ứng dụng - Trường Đại học Sư 83 Nguyễn Xuân Thành Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ phạm Hà Nội Mơi trường nuôi cấy [3], [4], [6]: Môi trường chuẩn (MTC) gồm glucose (20 g), pepton (5 g), diamoni photphat (2,7 g), cao nấm men (5 g), axit citric (1,15 g), nước cất lần (1000 ml); môi trường nước dừa già (MTD) gồm glucose (20 g), pepton (10 g), diamoni photphat (0,5 g), amoni sulfat (0,5 g), nước dừa già (1000 ml); môi trường nước vo gạo (MTG) gồm glucose (20 g), pepton (10 g), diamoni photphat (0,5 g), amoni sulfat (0,5 g), nước vo gạo (1000 ml) Chế tạo vật liệu M3NC nạp curcumin Lên men thu M3NC từ môi trường gồm bước: Chuẩn bị môi trường; hấp khử trùng môi trường 113oC 15 phút; lấy môi trường khử trùng tia UV 15 phút để nguội; bổ sung 10% dịch giống lắc cho giống phân bố dung dịch; chuyển dịch sang dụng cụ ni cấy theo kích thước nghiên cứu, dùng gạc vô trùng bịt miệng dụng cụ, đặt tĩnh - 14 ngày 28oC; thu vật liệu M3NC thô xử lý tinh M3NC trước nạp curcumin Vật liệu M3NC nạp curcumin: M3NC tạo từ môi trường nuôi cấy (M3NC-MTC, M3NC-MTD, M3NC-MTG) độ dày 0,5 cm xử lý tinh trước cho nạp curcumin (ở điều kiện: Nồng độ curcumin mg/mL; thời gian nạp 120 phút, nhiệt độ hấp thụ 60oC chế độ lắc 180 vòng/phút) thu vật liệu M3NC nạp curcumin (M3NC-MTC-Curcumin, M3NC-MTDCurcumin, M3NC-MTG-Curcumin) dùng để đánh giá số đặc tính vật liệu Xác định số đặc tính vật liệu M3NC nạp curcumin Cấu trúc vật liệu M3NC nạp curcumin xác định kính hiển vi điện tử quét FESEM (Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam): Mẫu sấy 40oC thời gian 20 phút, sau phủ lớp platin mỏng đặt vào buồng soi mẫu thiết bị Sử dụng kính hiển vi điện tử FESEM Hitachi S-4800 có độ phóng 84 184(08): 83 - 88 đại M = 20-800000x, độ phân giải δ = 1,0 nm, điện áp gia tốc U = 10 kV Sự tương tác vật liệu M3NC với curcumin xác định máy đo phổ FT-IR (Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội): Mẫu đo phổ trực tiếp phương pháp đo phản xạ điều kiện nhiệt độ 20oC, độ ẩm 40 - 43% Đánh giá khả hút nước vật liệu M3NC nạp curcumin: Vật liệu làm khô độ ẩm khác cách sấy tủ sấy xác định độ ẩm, sau thử nghiệm khả hút nước vật liệu để xác định độ ẩm thích hợp vật liệu [9] Vật liệu đặt đĩa petri gồm 98% nước 2% thạch agar, sau khoảng thời gian xác định (1 giờ, giờ, giờ, giờ, giờ) vật liệu lấy khỏi đĩa petri kẹp, giữ vật liệu nước vật liệu khơng cịn chảy xuống nữa, cân lại vật liệu để xác định lượng nước hút sau khoảng thời gian thử nghiệm Đánh giá tính thơng thống vật liệu M3NC nạp curcumin: Để vật liệu thử nghiệm lên bề mặt thạch bán lỏng 12 giờ, sau lấy vật liệu đặt hộp petri (không đậy nắp, vật liệu đặt hộp), cân hộp đặt hộp nhiệt độ 37oC Sau khoảng thời gian cân lại hộp đặt vật liệu để tính lượng nước theo thời gian Thử nghiệm vật liệu lơ Khả cho nước vật liệu đánh giá số mg nước cm2 vật liệu theo thời gian [1], [2] KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Đánh giá cấu trúc vật liệu M3NC nạp curcumin kính hiển vi điện tử quét FESEM Khảo sát cấu trúc loại M3NC (vật liệu tạo MTC, MTD, MTG) trước sau nạp curcumin kính hiển vi điện tử quét (FESEM) trình bày Hình cho thấy, M3NC có cấu trúc hệ mạng lưới gồm sợi đồng Nguyễn Xuân Thành Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 184(08): 83 - 88 A C E B D F M3NC tạo từ MTC M3NC tạo từ MTD M3NC tạo từ MTG Hình Hình ảnh chụp FESEM M3NC tạo từ MTC, MTD MTG chưa nạp curcumin (A, C, E) có nạp curcumin (B, D, F) Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu khác cấu trúc M3NC gồm sợi cellulose kích thước nano tạo mạng lưới cấu trúc khơng gian chiều [5], [7], [9] Theo Huang cộng (2013) [7] so sánh hình ảnh SEM M3NC nuôi cấy MTC tạo từ vi khuẩn Gluconacetobacter xylinum sau xử lý 24 với số điều kiện (nước cất lần, môi trường nhân tạo dày ruột, môi trường NaOH) cho thấy: Độ rỗng M3NC nuôi cấy MTC môi trường axit kiềm tăng lên so sánh với mơi trường trung tính (nước cất lần); xác nhận có giãn nở sợi cellulose điều kiện mơi trường trung tính khơng ảnh hưởng đến sợi cellulose Kết nghiên cứu cho thấy, M3NC có nạp thuốc khơng nạp thuốc khơng có khác rõ rệt Với M3NC tạo từ MTC MTD, sợi cellulose có độ cấu trúc ổn định, khơng có thay đổi nhiều cấu trúc nạp curcumin điều kiện thí nghiệm Với loại vật liệu MTG, cấu trúc khơng gian sợi cellulose có thay đổi rõ rệt sau nạp curcumin, kích thước lỗ màng thay đổi, sợi cellulose có liên kết lỏng lẻo, cấu trúc không ổn định So sánh với M3NC tạo từ q trình ni cấy mơi trường chuẩn chủng vi khuẩn Gluconacetobacter xylinum [5], [7] cấu trúc M3NC nghiên cứu khơng có khác biệt Đánh giá tương tác vật liệu M3NC với curcumin máy đo phổ FT-IR Kết đo phổ curcumin, M3NC tạo từ môi trường (MTC, MTD, MTG) trước sau nạp thuốc trình bày hình Qua kết đo phổ FT-IR hình (A, B, C, D, E, F) cho thấy, loại vật liệu M3NC nạp curcumin khơng có đỉnh bổ sung liên quan đến hình thành phức hợp chất xuất hiện, khác biệt cường độ tương đối đỉnh peak đặc trưng vật liệu M3NC curcumin quan sát Như vậy, vật liệu M3NC curcumin khơng có hình thành liên kết cộng hóa trị vật liệu M3NC nạp curcumin, đó, liên quan đến lực liên kết khơng phải liên kết cộng hóa trị Phổ mẫu vật liệu M3NC có tính chất trước sau nạp curcumin có thay đổi cường độ tương đối đỉnh peak đặc trưng Như vậy, có diện thuốc curcumin cấu trúc vật liệu M3NC nạp curcumin Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu Huang cộng (2013) [7] Ngoài ra, kết đo phổ nghiên cứu cho thấy đỉnh đặc trưng mẫu so sánh không bị dịch chuyển đáng kể 85 Nguyễn Xuân Thành Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 184(08): 83 - 88 Do đó, khơng có thay đổi thành phần hóa học curcumin trình nạp vào loại vật liệu M3NC A B C D E F Hình Kết đo phổ curcumin nguyên chất vật liệu M3NC tạo từ MTC, MTD, MTG trước sau nạp curcumin Đánh giá khả hút nước vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin Thí nghiệm vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin có độ dày 0,5 cm cm (Hình 3) Tạo thạch bán lỏng (kích thước thạch d = 10 cm dày 1,5 cm) chứa 98% nước 2% thạch agar Ở nồng độ này, thạch chứa hàm lượng nước lớn có bề mặt ẩm ướt tương tự bề mặt da Đặt vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin chuẩn bị thạch để đông sau giờ, vật liệu hút nước từ thạch dễ dàng Vật liệu thử nghiệm đem cân trước sau đặt thạch bán lỏng, sau khoảng thời gian 30 phút đưa cân lại vật liệu để xác định lượng nước thấm hút vào vật liệu Đánh giá khả hút ẩm vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin theo thí nghiệm thiết kế cho kết bảng 86 Nguyễn Xuân Thành Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 184(08): 83 - 88 Hình Thí nghiệm đánh giá khả hấp thụ nước vật liệu M3NC-MTC sau nạp curcumin Bảng Khả hấp thụ nước vật liệu M3NC-MTC sau nạp curcumin Khối lượng màng (g) Lượng nước hấp thụ (g) Tốc độ hấp thụ nước (g/giờ) Vật liệu tinh chế có độ dày 0,5 cm (khối lượng 19,22 g) giờ giờ Vật liệu tinh chế có độ dày cm (khối lượng 25,84 g) giờ giờ 30,98 34,76 38,23 42,56 43,13 39,11 43,62 48,07 52,2 52,21 11,76 ±0,01 11,76 ±0,02 15,54 ±0,02 7,77 ±0,01 19,01 ±0,02 6,33 ±0,04 23,34 ±0,01 5,83 ±0,03 23,91 ±0,03 4,78 ±0,03 13,27 ±0,04 13,27 ±0,01 17,78 ±0,03 8,89 ±0,01 22,23 ±0,02 7,41 ±0,06 26,36 ±0,05 6,59 ±0,04 26,37 ±0,03 5,27 ±0,03 Theo bảng 1, trạng thái ẩm ban đầu tốc độ hấp thụ nước vật liệu có độ dày khác nhanh (11,76 g/giờ vật liệu dày 0,5 cm 13,27 g/giờ vật liệu dày cm) Ở giai đoạn sau, từ thứ đến thứ 5, tốc độ hấp thụ nước chậm Như vậy, vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin có độ dày 0,5 cm có khả hấp thụ nước so với vật liệu có độ dày cm Đánh giá tính thơng thống vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin Đánh giá khả thoát nước vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin theo thí nghiệm thiết kế cho kết bảng Bảng Tốc độ nước vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin Lượng nước (g) Tốc độ nước (g/giờ) 12,7 ±0,01 6,3 ±0,07 Vật liệu có độ dày 0,5 cm giờ giờ 17,5 19,3 21,2 23,2 ±0,01 ±0,01 ±0,01 ±0,02 8,9 3,9 2,8 1,8 ±0,04 ±0,05 ±0,06 ±0,04 Theo bảng 2, trạng thái ẩm ban đầu tốc độ nước vật liệu có độ dày khác nhanh (8,9 g/giờ thời điểm vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin dày 0,5 cm; 8,1 g/giờ thời điểm vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin dày cm) Ở giai đoạn sau, từ thứ 3, tốc độ nước chậm Vật liệu tinh chế có độ dày cm chứa lượng nước nhiều dày vật liệu có độ dày 0,5 cm nên tốc độ nước chậm Như vậy, vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin có khả nước chậm giúp cho trình giữ ẩm tốt, thích hợp sử 14,6 ±0,11 6,3 ±0,08 Vật liệu có độ dày cm giờ 19,5 23,6 25,1 ±0,01 ±0,01 ±0,02 8,1 3,5 2,7 ±0,06 ±0,04 ±0,07 26,7 ±0,02 1,7 ±0,05 dụng làm vật liệu đắp da KẾT LUẬN Cấu trúc loại vật liệu M3NC trước sau nạp curcumin gồm hệ mạng lưới chứa sợi cellulose đồng M3NC tạo từ MTC MTD gồm sợi cellulose có cấu trúc ổn định, khơng có thay đổi nhiều cấu trúc trước sau nạp curcumin Khơng có hình thành liên kết cộng hóa trị M3NC curcumin khơng có thay đổi thành phần hóa học curcumin trình nạp vào M3NC Vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin độ dày 0,5 cm có khả 87 Nguyễn Xn Thành Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ hấp thụ nước so với vật liệu độ dày cm Vật liệu M3NC-MTC nạp curcumin có khả thoát nước chậm LỜI CÁM ƠN Kết nghiên cứu tài trợ kinh phí từ đề tài KHCN cấp Bộ, mã số: B2017-SP2-09 Xin trân trọng cảm ơn thành viên đề tài đóng góp thực nội dung nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Huỳnh Thị Ngọc Lan, Nguyễn Văn Thanh (2006), “Nghiên cứu đặc tính màng cellulose vi khuẩn từ Acetobacter xylinum sử dụng làm màng trị bỏng”, Tạp chí Dược học, 361, tr 18 – 20 Đinh Thị Kim Nhung, Nguyễn Thị Thùy Vân, Trần Như Quỳnh (2012), “Nghiên cứu vi khuẩn Acetobacter xylinum tạo màng Bacterial Cellulose ứng dụng điều trị bỏng”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, 50 (4), tr 453-462 Nguyễn Xuân Thành (2018), “Đánh giá hấp thụ famotidine cellulose tạo từ Acetobacter xylinum số mơi trường ni cấy”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ (Chuyên san Khoa học Nông nghiệp – Lâm nghiệp – Y dược) - Đại học Thái Nguyên, 180(04), tr 199-204 Phan Thị Huyền Vy, Bùi Minh Thy, Phùng Thị Kim Huệ, Nguyễn Xuân Thành, Triệu Nguyên 184(08): 83 - 88 Trung (2018), “Tối ưu hóa hiệu suất nạp thuốc famotidin vật liệu cellulose vi khuẩn lên men từ dịch trà xanh theo phương pháp đáp ứng bề mặt mơ hình Box-Behnken”, Tạp chí Dược học, 501, tr 3-6 Badshah M., Ullah H., Khan S A., Park J K., Khan T (2017), “Preparation, characterization and in-vitro evaluation of bacterial cellulose matrices for oral drug delivery”, Cellulose, 24(11), pp 5041-5052 Hestrin S., Schramm M (1954), “Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum, Preparation of freeze-dried cells capable of polymerizing glucose to cellulose”, Biochem J., 58(2), pp 345-352 Huang L., Chen X., Nguyen Xuan Thanh, Tang H., Zhang L., Yang G (2013), “Nano-cellulose 3D-networks as controlled-release drug carriers”, Journal of Materials Chemistry B (Materials for biology and medicine), 1, pp 2976-2984 Sun M., Su X., Ding B., He X., Liu X., Yu A., Lou H., Zhai G., (2012), “Advances in nanotechnologybased delivery systems for curcumin”, Nanomedicine (Lond), 7(7), pp 1085-1100 Trovatti E., Freire C S., Pinto P C., Almeida I F., Costa P., Silvestre A J., Neto C P., Rosado C (2012), “Bacterial cellulose membranes applied in topical and transdermal delivery of lidocaine hydrochloride and ibuprofen: in vitro diffusion studies”, Int J Pharm, 435(1), pp 83 – 87 SUMMARY STUDY OF SOME PROPERTIES OF CURCUMIN LOADED 3D-NANOCELLULOSE NETWORKS PRODUCED BY ACETOBACTER XYLINUM Nguyen Xuan Thanh* Hanoi Pedagogical University (HPU2) 3D-nano-cellulose networks (3DNC) has various applications in the biomedical fields and advanced drug delivery systems The 3DNC materials produced from Acetobacter xylinum in the standard medium (STM), coconut medium (COM) and rice medium (RIM) were evaluated for some properties of pre- and post-curcumin loaded materials FESEM results showed that the 3DNC produced from STM or COM consisted of stable cellulose fibers, with no significant change in structure before and after loading of curcumin FT-IR spectra were determined without the formation of a covalent bond between 3DNC and curcumin and no change in the chemical composition of curcumin during 3DNC loading The curcumin loaded 3DNC-STM material at a thickness of 0.5 cm absorbs water less than the material at a thickness of cm Curcumin loaded 3DNC-STM material has a slow evaporation Keywords: Acetobacter xylinum; curcumin; property; material, 3D-nano-cellulose networks (3DNC) Ngày nhận bài: 14/6/2018; Ngày phản biện: 09/7/2018; Ngày duyệt đăng: 31/7/2018 * Tel: 0912 478845, Email: nguyenxuanthanh@hpu2.edu.vn 88 ... M3NC-MTG -Curcumin) dùng để đánh giá số đặc tính vật liệu Xác định số đặc tính vật liệu M3NC nạp curcumin Cấu trúc vật liệu M3NC nạp curcumin xác định kính hiển vi điện tử quét FESEM (Vi? ??n Khoa... M3NC tạo từ MTC M3NC tạo từ MTD M3NC tạo từ MTG Hình Hình ảnh chụp FESEM M3NC tạo từ MTC, MTD MTG chưa nạp curcumin (A, C, E) có nạp curcumin (B, D, F) Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu khác... Như vậy, có diện thuốc curcumin cấu trúc vật liệu M3NC nạp curcumin Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu Huang cộng (2013) [7] Ngoài ra, kết đo phổ nghiên cứu cho thấy đỉnh đặc trưng mẫu so sánh