Alginate (Alg) hầu hết có sẵn ở dạng sản phẩm muối natri của acid Alginic và chúng đại diện cho một trong những họ giàu nhất của các polysaccharide anion tự nhiên, được phát hiện vào cuối thế kỷ XIX bởi một dược sĩ người Anh, E.C.C. Stanford, và có tên gọi là “Algin”, là một dung dịch nhớt thu được từ họ Laminariaceae. Kể từ khi được phát hiện vào năm 1883, nó đã trở thành một sản phẩm công nghiệp quan trọng trong thương mại từ rong biển. Sau đó chất chiết xuất của nó được gọi là "acid Alginic", sản xuất thương mại bắt đầu vào năm 1929. Ước tính rằng, Alg từ tảo được sản xuất gần 38.000 tấn hàng năm trên toàn thế giới, và phần lớn của chúng đóng góp vào ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm [23].
Alginate là một copolymer mạch thẳng được tạo thành từ β–D– Mannuronic acid (M) và α–L–Guluronic acid (G) gắn với nhau qua liên kết 1,4 glycoside (Hình 1.4) [24]. Chuỗi được cấu thành bởi hai acid này kết hợp với
nhau để thành một mô hình khối. Alginate phân thành ba loại khối: poly–G (G– G–G–G), poly–M (M–M–M–M) và poly–GM (G–M–G–M) liên kết ngẫu nhiên trong chuỗi mạch. Hàm lượng và các thuộc tính lý, hóa sinh học của Alginate biến đổi theo loài rong, giai đoạn trưởng thành, mùa vụ và môi trường sống của rong [25].
Hình 1.2. Cấu trúc của Alginate 1.3.2. Tính chất và ứng dụng của Alginate
Độ hòa tan: Khả năng hòa tan của Alginate trong nước bị ảnh hưởng bởi
ba yếu tố (pH của dung môi, lực liên kết ion và sự tồn tại của các ion trong dung dịch). Lực liên kết ion trong dung dịch làm ảnh hưởng đến các tính chất liên quan đến cấu trúc polymer, độ nhớt và độ hòa tan. Alginate tạo gel khi có sự hiện diện của các cation hóa trị hai như Ca+2, Sr+2 và Ba+2. Độ hòa tan của Alginate phụ thuộc vào trạng thái của các nhóm acid cacboxylic [26]. Khi kết hợp với các cation hóa trị một như Na+, K+, NH4+, Alginate tan trong nước tạo thành các dung dịch có độ nhớt cao. Sodium Alginate là một ví dụ điển hình của dạng muối đơn hóa trị của Alginate, có khả năng hòa tan trong nước cao, làm tăng độ nhớt của dung môi khi hòa tan và được sử dụng trong nhiều ứng dụng [27].
Độ nhớt: Alginate là một polymer mạch thẳng có độ nhớt được xác định
bởi trọng lượng phân tử, độ cứng và độ mở rộng của chuỗi polymer [23]. Các dung dịch Alg nói chung có độ nhớt cao do cấu dạng cồng kềnh của phân tử,
dung dịch nhớt. Do tính chất đa cực của phân tử, độ nhớt của Alg phụ thuộc lực liên kết ion của dung dịch. Khi lực liên kết ion cao, phân tử có dạng ít chuỗi dài và có độ nhớt thấp hơn [25].
Khả năng tạo gel: Alginate có thể điều chế hydrogel từ dung dịch Alginate bằng cách kết hợp dung dịch với các chất liên kết ngang ion như các cation hóa trị hai (Ca2+). Các cation hóa trị hai này chỉ liên kết với các khối G của chuỗi Alginate, vì cấu trúc của các khối G cho mức độ phối trí cao. Các khối G của một polymer sau đó tạo thành các điểm nối với các khối G khác của các polymer liền kề tạo thành cấu trúc gel [28]. Ngoài khối G, các khối MG cũng tham gia, tạo thành các mối nối yếu. Do đó, Alginate có hàm lượng G càng cao tạo ra gel càng mạnh. Ái lực của các Alginate đối với ion hóa trị 2 giảm dần theo thứ tự sau: Pb> Cu> Cd> Ba> Sr> Ca> Co, Ni, Zn> Mn. Ca2+ là cation được sử dụng phổ biến nhất để tạo gel Alginate [26]
1.3.2.1. Tính tương hợp sinh học
Alginate có tính tương hợp sinh học của alginate đã được đánh giá nhiều, xong vẫn còn tranh cãi về tác động của thành phần alginate. Tuy nhiên, phần lớn các tác động này liên quan đến các mức độ tinh khiết khác nhau của Alginate. Alginate được lấy từ các nguồn tự nhiên có thể có nhiều tạp chất khác nhau như kim loại nặng, nội độc tố, protein và các hợp chất polyphenolic. Alginate được tinh chế bằng quy trình chiết xuất nhiều bước và đã đạt độ tinh khiết rất cao, không gây độc khi cấy ghép vào cơ thể [28, 29].
Sodium Alginate có độ hòa tan trong nước tương đối cao, tính không độc, khả năng phân hủy sinh học, tính tương hợp sinh học và các đặc điểm tạo gel độc đáo. Do đó, được ứng dụng rộng rãi trong y sinh như truyền tải thuốc và protein, chữa lành vết thương, nuôi cấy tế bào, tái tạo mô (tái tạo mạch máu, tái tạo xương,…) [30]
1.4. TỔNG QUAN VỀ HYDROGEL
1.4.1. Khái niệm hydrogel
trương và giữ một lượng nước lớn trong khi vẫn duy trì cấu trúc do liên kết ngang hóa học hoặc vật lý của các chuỗi polyme riêng lẻ. Hydrogel cũng có mức độ mềm dẻo rất giống với mô tự nhiên do hàm lượng nước đáng kể của chúng. Tính ưa nước của mạng là do sự hiện diện của các nhóm ưa nước như - NH2, -COOH, -OH, -CONH2, - CONH -, và -SO3H [31]. Hydrogel thông minh (Smart Hydrogels) là hydrogel tạo thành dựa trên cơ sở là các polymer thông minh. Các loại polymer này có khả năng đáp ứng các kích thích từ tác nhân vật lý (nhiệt độ, điện trường, từ trường, áp suất, âm thanh, ánh sáng) hay hóa học (pH, lực ionic, thành phần dung môi, dạng polymer) từ những thay đổi của môi trường. Hydrogel thông minh có thể được thiết kế sao cho có thể kiểm soát được sự co vào hay nở ra theo sự thay đổi của môi trường xung quanh. Chúng có thể chuyển đổi thể tích rõ rệt trong quá trình đáp ứng với các tác nhân kích thích vật lý như nhiệt độ, điện từ trường, áp suất, ánh sáng, âm thanh hay với các tác nhân hóa học như pH, thành phần dung môi, lực ionic và loại phân tử
[14].
1.4.2. Phân loại hydrogel thông minh
Các hydrogel thông minh được chia làm 2 loại cơ bản dựa trên khả năng đáp ứng những kích thích của chúng: Hydrogel đáp ứng kích thích hóa học và Hydrogel đáp ứng kích thích vật lý. Các tính chất này của hydrogel thông minh rất quan trọng cho các ứng dụng trong cấy ghép và tái tạo mô.
1.4.2.1. Hydrogel đáp ứng kích thích hóa học
Hydrogel nhạy pH: Hydrogel nhạy pH chứa các nhóm chức ion hóa cho
hoặc nhận proton trong phản ứng với những thay đổi trong môi trường pH.
Hydrogel nhạy ion: Hydrogel nhạy ion thay đổi tính chất vật lý hoặc hóa
học tương đối lớn và đột ngột để đáp ứng với những thay đổi nhỏ của nồng độ ion.
Hydrogel nhạy glucose: những hệ hydrogel có thể vận chuyển insulin
nhạy với môi trường xung quanh liên quan đến hydrogel nhạy glucose hiện là lĩnh vững đang được quan tâm nghiên cứu.
1.4.2.2. Hydrogel đáp ứng kích thích vật lý
Hydrogel nhạy nhiệt: hydrogel thông minh nhạy nhiệt có thể thay đổi các
tính chất về cấu trúc của chúng để đáp ứng với nhiệt độ của môi trường xung quanh. Ứng dụng của những hệ polymer này có tiềm năng lớn trong các lĩnh vực y sinh học khác nhau. Hydrogel nhạy nhiệt có thể phân thành hai loại chính: polymer với giá trị nhiệt độ tới hạn dưới (lower critical solution temperature: LCST) và polymer với giá trị nhiệt độ tới hạn trên (uper critical solution temperature: UCST). Ở polymer có LCST thì khi nhiệt độ môi trường lớn hơn LCST chuyển đổi từ trạng thái hòa tan sang không tan và ngược lại. Còn đối với polymer có UCST thì khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn UCST chuyển từ trạng thái hòa tan sang không tan và ngược lại.
Hydrogel nhạy quang: hydrogel thông minh nhạy ánh sáng là một mạng
lưới polymer chứa các nhóm nhạy quang như các gốc quang chuyển màu. Khi ánh sáng chiếu vào, các hydrogel thay đổi tính chất vật lý và hóa học của chúng như tính đàn hồi, độ nhớt, hình dạng.
Hydrogel nhạy điện: hydrogel thông minh nhạy điện có tính chất giãn nở,
co lại, kéo dài và uốn cong dưới ảnh hưởng của một điện trường vào hình dạng hydrogel và vị trí của nó so với các điện cực.
1.4.3. Tính chất của hydrogel
1.4.3.1. Tính trương nở
Khả năng trương nở của hydrogel được xác định bởi khoảng không gian có sẵn bên trong hydrogel để chứa nước. Các lực tương tác giữa polymer và nước quyết định sự trương nở của hydrogel. Về cơ bản, tính ưa nước của hydrogel làm cho lực tương tác giữa polymer với nước trở nên mạnh hơn và hydrogel sẽ trương nở trong nước. Độ trương nở của hydrogel bị ảnh hưởng bởi mật độ liên kết ngang và mật độ điện tích cũng như nồng độ của liên kết ngang trong polymer sau khi hình thành gel.
1.4.3.2. Tính phân hủy sinh học
lượng phân hủy của vật liệu cấy ghép phải phù hợp với tốc độ hình thành mô mới và các phân tử giải phóng ra trong quá trình phân hủy không độc đối với tế bào. Hydrogel có 3 cơ chế suy giảm cơ bản: thủy phân, suy giảm bởi enzyme, và suy giảm do quá trình hòa tan. Phần lớn các hydrogel tổng hợp suy giảm thông qua quá trình thủy phân của các liên kết ester. Những hydrogel suy giảm bởi enzyme có khối lượng suy giảm khác nhau trong nghiên cứu in vitro và in vivo, vì trong cơ thể động vật có rất nhiều loại enzyme [32]
1.4.3.3. Tính tương hợp sinh học
Hydrogel tương hợp sinh học và không gây độc là yếu tố quan trọng để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Hầu hết các polymer sử dụng trong y sinh phải thử nghiệm về khả năng gây độc trong cơ thể. Hydrogel cung cấp môi trường thích hợp để tế bào di chuyển, tăng trưởng và biệt hóa. Những vật liệu dùng để tạo gel khi tồn tại trong cơ thể sẽ thúc đẩy những chức năng của tế bào cho những ứng dụng đặc biệt như tăng độ bám dính, tăng trưởng và biệt hóa của tế bào nên thúc đẩy phát triển mô. Những polymer tạo nên hydrogel cần thiết không gây độc cho tế bào, không kích hoạt phản ứng miễn dịch nhưng chúng cần phải thúc đẩy được sự bám dính và phát triển của tế bào [32].
1.4.4. Ứng dụng của hydrogel nhạy nhiệt
1.4.4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực tái tạo mô
Kỹ nghệ mô nhằm mục đích thay thế các mô hoặc cơ quan bị hư hỏng hay bị bệnh để giúp phục hồi tạm thời và hỗ trợ tái tạo mô mới. Các vật liệu làm bộ khung giá đỡ thường có tính chất tương hợp sinh học, phân hủy sinh học, độ bền cơ học, xốp; có tiềm năng mang và giải phóng các phân tử có hoạt tính sinh học. Các polymer nhạy nhiệt được nghiên cứu ứng dụng làm chất nền cho các tế bào phát triển, hay gel được tiêm vào vị trí bị tổn thương (ví dụ như da, xương) tạo thành các bộ khung (scaffold) ngay tại vị trí khiếm khuyết [33]
Hình 1.3. Scaffold từ hydrogel dextranchuyển từ dạng lỏng sang dạng gel khi có sự tác động của ánh sáng hỗ trợ quá trình tạo mạch máu và tái tạo da
[34]
1.4.4.2. Ứng dụng chữa lành vết thương
Hydrogel có khả năng hấp thu và giữ nước trong mạng lưới cấu trúc của nó. Nhờ đặc tính này mà khi được đưa lên vết thương Hydrogel nói chung và Hydrogel nhạy nhiệt nói riêng có khả năng hấp thu và giữ lại các dịch tiết của vết thương. Hydrogel còn thúc đẩy sự tăng sinh nguyên bào bằng cách giảm mất nước từ bề mặt vết thương và tạo một lớp màng bảo vệ vết thương khỏi các vi sinh vật gây hại từ môi trường bên ngoài tấn công. Nhờ vào tác động giữ ẩm của hydrogel mà các tế bào sừng có thể di chuyển trên bề mặt vết thương. Hydrogel có thể trong suốt tùy theo bản chất của polymer và tác động đệm, làm mát trên bề mặt vết thương. Hydrogel trong suốt giúp cho việc giám sát vết thương dễ dàng mà không cần tháo băng vết thương [35].
1.4.4.3. Ứng dụng trong mang nhả thuốc
Quá trình phân phối thuốc cần đảm bảo được các yếu tố như đưa thuốc đến đúng vị trí, vào đúng thời điểm và đúng nồng độ. Vì vậy với để đáp ứng được vấn đề này, các polymer thông minh được nghiên cứu làm các chất mang để phân phối thuốc. Các polymer mang thuốc này cho phép đưa thuốc vào đúng vị trí và nhả thuốc ra ngoài khi có các kích thích của môi trường. Ví dụ như trong điều trị ĐTĐ tuýp 1 các nhà nghiên cứu đưa insulin có thể tiêm dưới da, và hydrogel sẽ giải phóng insulin ra ngoài một cách từ từ để thay thế việc tiêm
insulin nhiều lần. Hoặc sử dụng hydrogel như một chất bảo vệ insulin khỏi acid dạ dày, nhằm đảm bảo việc insulin được hấp thu an toàn vào cơ thể bằng đường uống. Tương tự trong điều trị ung thư các nhà nghiên cứu đang cố gắng tạo ra các loại thuốc tiêm và uống có khả năng mang thuốc trúng đích (hydrogel nhạy pH: tế bào ung thư phát triển trong môi trường pH thấp) và nhả chậm thuốc từ đó hạn chế khả năng gây độc của thuốc cũng như giảm chi phí điều trị cho bệnh nhân [33, 36]
1.5. TỔNG QUAN VỀ QUERCETIN VÀ RESVERATROL
1.5.1. Quercetin
Quercetin (QU) (3,3’,4’,5,7-pentahydroxyflavone) thuộc nhóm polyphenol được tìm thấy phổ biến ở thực vật. QU thường xuyên ở dạng glycosides (các chất dẫn xuất của đường) [37].
1.5.1.1. Cấu trúc hóa học và một số tính chất lý hóa của QU
Tên IUPAC: 2-(3,4-dihydroxyphenyl)-3,5,7-trihydroxy-4H-chromen-4- one. Tên khác: Sophoretin, Meletin, Quercetin, Xanthaurine, Quercerol, Quercitin, Quertine, Flavin meletin. Công thức phân tử: C15H10O7. Cảm quan: bột mịn, màu vàng. Khối lượng mol: 302,236 g/mol; Tỷ trọng: 1,799 g/cm3 ; Nhiệt độ nóng chảy: 316 °C. Độ hòa tan trong nước : 60 mg/L tại 16 °C. Tan rất tốt trong Ether, Methanol. Tan tốt trong Ethanol, Acetone, Pyridine, Acetic Acid.
QU không bền dưới tác dụng của ánh sáng. Do đó, QU cần được bảo quản trong lọ sẫm màu, đặt nơi thoáng mát, tránh tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng. QU là một chất rắn tinh thể màu vàng, có vị đắng, không hòa tan trong nước, ít hòa tan trong rượu, hòa tan trong acetic acid lạnh và dung dịch kiềm loãng. [38]
1.5.1.2. Hoạt tính sinh học của QU
QU là một flavonoid phân bố rộng rãi trong nhiều loại thực vật và trái cây bao gồm nho đỏ, trái cây họ cam quýt, cà chua, bông cải xanh và các loại rau lá xanh khác, và một số loại quả mọng, bao gồm quả mâm xôi và quả nam việt quất. Bản thân QU (aglycone quercetin), trái ngược với quercetin glycoside, không phải là một thành phần ăn kiêng bình thường. Quercitin glycoside được chuyển đổi thành axit phenolic khi chúng đi qua đường tiêu hóa. QU chưa được xác nhận một cách khoa học là một liệu pháp điều trị cụ thể cho bất kỳ tình trạng nào và cũng không được bất kỳ cơ quan quản lý nào chấp thuận.
Một số nghiên cứu của Brown và Griffiths (1983) cho chuột và thỏ uống QU thì phát hiện ra rằng QU thường được bài tiết ra đường nước tiểu ở dạng: 3,4-acid dihydroxyphenylacetic, acid 3-methoxy-4-hydroxy phenylacetic (acid homovanillic), và axit m-hydroxyphenylacetic. Những chất này được cho là hình thành trong gan. Tốc độ đào thải QU được nghiên cứu phát hiện ra sau 48 giờ, còn sau 3 giờ sử dụng QU với liều 2,3 mg / kg trọng lượng cơ thể người trên 5 tình nguyện viên cho thấy không có QU được phát hiện trong huyết tương hoặc nước tiểu [39].
QU được xem như là một chất chống oxy hóa mạnh do nó có khả năng tìm ra các gốc tự do và ràng buộc các ion kim loại chuyển tiếp. Những tính chất của QU cho phép nó ức chế lipid peroxidation. Lipid peroxidation là quá trình mà các acid béo chưa no chuyển đổi thành các gốc tự do thông qua sự tách Hydro. Lipid peroxidation có thể tạo ra các tác động có hại cho cơ thể như tim
mạch, thoái hóa thần kinh. Tuy nhiên, các bệnh này có thể chấm dứt nhờ các chất chống oxy hóa như QU can thiệp vào sự hình thành các gốc tự do [40]
1.5.2. Resveratrol
1.5.2.1. Cấu trúc hóa học và một số tính chất lý hóa của RE
RE là một hợp chất giống như chất chống oxy hóa được tìm thấy trong rượu vang đỏ, quả mọng và đậu phộng [41]
Trọng lượng phân tử: 228,24 g / mol; Chất rắn ; Bột trắng; Điểm nóng