CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. Các chất dùng để biến tính bề mặt nanosilica
Một nhược điểm của nano silica khi được chọn làm vật liệu mang thuốc là không thể bảo vệ thuốc trong quá trình vận chuyển dẫn đến thuốc dễ bị rị rỉ ra ngồi từ đó có thể gây hại cho các tế bào lành tính cũng như khiến hiệu quả điều trị giảm sút. Vì vậy để đạt hiệu quả mang thuốc cao, các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu các phương pháp biến tính bề mặt hạt nano silica bằng cách gắn thêm các polymer khác để bảo vệ lượng thuốc bên trong, tạo liên kết hóa học với thuốc nhằm nâng hiệu quả mang thuốc [22].
Việc biến tính bề mặt vật liệu trở nên tương đối dễ dàng vì bề mặt PNS có chứa các nhóm OH- có thể dễ dàng tạo liên kết cộng hóa trị với các tác nhân biến tính khác nhau [23].
Hạt nano được biến tính với các polymer sinh học có khả năng vượt qua những rào cản của hệ thống miễn dịch cơ thể, kiểm sốt duy trì q trình vận chuyển thuốc lưu thơng trong máu và giải phóng thuốc đúng mục tiêu xác định là tế bào bệnh. Các chất dùng để biến tính bề mặt nano silica (PNS) thường là những polymer có tính tương thích sinh học, có độc tính thấp, giá thành thấp, sẵn có trong tự nhiên, an toàn cho con người và thân thiện với mơi trường. Trong số đó, gelatin (viết tắt là GEL hoặc GE) hoặc chitosan (CS) đang chiếm được rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu do sự tương thích sinh học cao và ít mang độc tính hơn rất nhiều so với những loại vật liệu khác [24].
Ngoài ra, một số tác nhân khác như hydrazine, methoxy ethyleneglycol (mPEG), dithiodipropionic acid (DTDP) cũng được chọn biến tính lên vật liệu nano silica với những tính chất đặc trưng như sau:
1.3.1. Hydrazine
Hydrazine ( N2H4 là loại diamine đơn giản nhất và duy nhất trong nhóm vì có liên kết N - N. Nó được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1887 bởi Curtius dưới dạng muối sunfat từ este diazoacetic. Thiele (1893) cho rằng q trình oxy hóa amoniac với hypochlorite sẽ tạo ra hydrazine và vào năm 1906 Raschig đã chứng minh quá trình này, tạo thành phương pháp sản xuất thương mại chính trong những năm 1990 [14].
Ứng dụng trong y tế là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hydrazine, như đã biết hydrazine tuy độc nhưng khi gắn nhóm amino trên vật liệu mang thuốc thì tính chất của hydrazine thay đổi chỉ cịn một gốc amin vì vậy làm tăng hoạt tính sinh học và khơng gây độc đối với cơ thể người [25].
Hydrazine được sử dụng nhiều trong dẫn truyền thuốc do tạo được liên kết hydrazone rất nhạy với pH. Tại pH thấp của môi trường tế bào ung thư, liên kết hydrazone sẽ phá vỡ giải phóng thuốc đúng mục tiêu [26].
1.3.2. Polyethylene glycol (PEG)
Polyethylene glycol (PEG), là một loại polymer sinh học ưa nước, được sử dụng như một thành phần quan trọng đối với nhiều hệ thống dẫn thuốc khác nhau. PEG có khả năng kéo dài thời gian lưu thơng trong máu để mang thuốc hướng đích.
Sự kết hợp PEG và thuốc có một vài thuận lợi: - Tăng thời gian tồn tại của thuốc trong cơ thể.
- Giảm khả năng đào thải các enzyme cũng như các protein bởi hệ thống miễn dịch. Nhờ vào những thuận lợi đó, sự PEG hóa đóng vai trị quan trọng trong việc dẫn truyền thuốc.
PEG được tổng hợp từ q trình polymer hóa mở vịng bởi tương tác nucleophilic bằng ion OH- lên vịng epoxide. Tuy nhiên, PEG có nhóm OH ở hai đầu mạch nên có độ đa phân tán và trọng lượng phân tử cao do phản ứng polymer hóa xảy ra ở cả hai đầu mạch. Để giải quyết vấn đề đó, người ta đã tiến hành thay thế chúng bằng monomethoxy PEG hay mPEG.
Về mặt dược học, gắn mPEG vào bề mặt giúp giảm một số q trình khơng mong muốn. Cụ thể là mPEG gắn trên bề mặt gắn lên bề mặt thuốc giúp tránh đi sự đào thải của hệ miễn dịch [27].
Trong sinh học, mPEG phân tách giữa môi trường nước và màng tế bào do đó mPEG có khả năng dung hợp tế bào [13].
1.3.3. Biến tính bằng chitosan (CS)
Chitosan là một polymer sinh học, là một polysaccharide và là dẫn xuất của chitin. Chitin là một loại polymer tuyến tính của β (1→ 4) được liên kết N-acetyl-D-Glucosamine đơn vị gồm mucopolysaccharides (các polysaccharide chứa đường amine và acid uronic) và đường amino. Chitin là polymer hữu cơ thứ hai phổ biến trong tự nhiên sau cellulose. Chitin được tìm thấy trong các lớp biểu bì hoặc bộ khung xương ngồi của động vật giáp xác như tơm cua, côn trùng như châu chấu, chuồn chuồn.
Chitosan được tạo thành bởi các phản ứng deacetyl hóa chitin. Khi chitin được xử lý với các chất kiềm đặc ở nhiệt độ cao khoảng 120oC trong dung dịch, trong thời gian 1-3 giờ nó sẽ bị loại nhóm acetyl và bị phân hủy khác nhau để cho ra một sản phẩm là chitosan. Mức độ deacetyl hóa của chitosan thay đổi theo nguồn gốc của chitin và phương pháp chế biến. Vậy chitosan không phải là một đơn chất mà nó là một nhóm sản phẩm của chitin bị loại nhóm acetyl từng phần [28, 29].
Hình 1.4. Sự tạo thành chitosan từ chitin.
Trong vòng 20 năm qua, nhiều cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố về ứng dụng chitosan trong các lĩnh vực dẫn truyền thuốc. Trái ngược với tất cả các polysaccharid khác trong dược điển, chitosan có đặc tính cation vì các nhóm amin của chính nó. Nhờ vào các nhóm amin này giúp cho đặc tính giải phóng thuốc được kiểm sốt, tăng tính bám dính niêm mạc, tăng cường thẩm thấu của thuốc [30].
1.3.4. Biến tính bằng dithiodipropionic acid (DTDP)
Dithiodipropionic acid hay 3,3’-dithiodipropionic acid là một tác nhân được phát triển cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng DTDP trong hệ phân phối thuốc nhạy oxy hóa khử nhờ vào độ ổn định và ít độc, đặc biệt là trong cấu trúc có một liên kết disulfide và hai nhóm carboxylic acid ở hai đầu[31-34].
Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của 3,3’-dithiodipropionic acid
Liên kết disulfide (-SS-) là liên kết mạnh, với năng lượng phân ly vào khoảng 60 kcal. Tuy nhiên yếu hơn khoảng 40% so với liên kết C-C và C-H. Một đặc tính quan trọng nhất của liên kết disulfide là khả năng phân cắt của chúng – phân cắt khi có mặt chất khử. Có rất nhiều chất khử có thể được sử dụng, chẳng hạn như các thiol như mercaptoethanol (b-ME), dithiothreitol (DTT),…
Glutathione (GSH) là một tác nhân khử có khả năng cắt đứt liên kết disulfide. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy tác nhân này được tạo ra nhiều trong tế bào ung thư hơn là tế bào bình thường (nồng độ của GSH trong tế bào ung thư (2–8 mM) cao hơn 1000 lần so với nồng độ GSH trong máu và tế bào thường (1–2 µM)). Do đó khi kết hợp liên kết disulfide (hay sử dụng DTDP) sẽ giúp tăng tính giải phóng chọn lọc của thuốc khi cho vào cơ thể [35, 36].
Hình 1.6. Liên kết disulfide ban đầu bị cắt đứt và tái hình thành liên kết disulfide khác
1.3.5. Biến tính bằng Gelatin
Gelatin đã được nghiên cứu rộng rãi như là một chất vận chuyển thuốc cho nhiều nhóm thuốc do tính chất của nó là một vật liệu sinh học tự nhiên và lịch sử sử dụng an toàn trong một loạt các ứng dụng y tế và dược phẩm. Tính chất gelatin có thể được điều chỉnh để tối đa hóa hiệu quả nạp thuốc. Điểm đẳng điện gelatin có thể được điều chỉnh theo tính chất
tĩnh điện của phân tử thuốc được chọn bằng cách sử dụng phương pháp xử lý bằng kiềm hoặc acid. Hơn nữa, bản chất ưa nước của gelatin tạo điều kiện cho sự xâm nhập của chất lỏng cơ thể vào các hạt và do đó làm tăng sự giải phóng qua trung gian khuếch tán của các phân tử hoạt tính sinh học. Là chất mang thuốc, gelatin đã được chứng minh có hoạt tính sinh học vượt trội.
Gelatin là một thành phần thực phẩm dạng mờ đục, khơng màu, khơng hương vị, giịn ở dạng rắn và có độ nhớt cao khi ẩm. Gelatin có nguồn gốc từ collagen lấy từ các bộ phận cơ thể động vật, nên còn được gọi là collagen thủy phân, collagen hydrolyzate, gelatin hydrolyzate, gelatin thủy phân và collagen peptide [37].
Gelatin được cơng bố là một vật liệu có tính độc hại rất thấp chỉ khi ở hàm lượng rất cao mới có độc tính với cơ thể người.
Các vi hạt gelatin có thể đóng vai trị là phương tiện để khuếch đại tế bào và cung cấp các phân tử hoạt tính sinh học lớn, trong khi đó các hạt nano gelatin có sự hấp thu nội bào cao hơn và phù hợp hơn cho việc truyền tĩnh mạch hoặc đưa thuốc vào não. Sợi gelatin chứa tỷ lệ diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, trong khi đó gelatin hydrogel có thể bẫy các phân tử trong khoảng trống giữa các liên kết polymer, cho phép thuốc khuếch tán vào dòng máu.
Một lĩnh vực khác đang được quan tâm phát triển là sự kết hợp giữa gelatin dựa trên mô sinh học với sự giải phóng thuốc có kiểm sốt để kiểm sốt cơn đau và chữa lành vết thương.
Các hệ thống dựa trên gelatin thể hiện khả năng hấp thụ nước cao do có nhiều phần ưa nước trên bề mặt vật liệu.
Thành phần hóa học cơ bản của gelatin bao gồm: 85–90% protein, 0,5–2% muối khoáng, 8–13% nước.
Cấu trúc phân tử gelatin gồm có 20 amino acid khác nhau liên kết với nhau theo một trật tự xác định, tuần hồn, tạo nên chuỗi polypeptide có khoảng 1000 acid amin hình thành nên cấu trúc bậc 1. Các chuỗi peptide có chiều dài khác nhau phụ thuộc nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất và độ dài của chuỗi sẽ ảnh hưởng đến tính mềm dẻo của gelatin. Mỗi chuỗi có một đầu là nhóm amino, cịn một đầu là nhóm carboxyl.
Về mặt cấu trúc, các phân tử collagen và gelatin chứa các chuỗi lặp lại của bộ ba Gly- X-Y, trong đó X và Y chủ yếu là các axit amin proline (Pro), hydroxyproline (Hypro) và Gly là thành phần chiếm ưu thế, là acid amin nhỏ nhất [37].
Gelatin có nhiều nhóm glycine, proline và 4-hydroxyproline và có thứ tự sắp xếp là– Ala Gly Pro Arg Gly Glu Hyp Gly Pro
Hình 1.7. Cấu trúc cơ bản của Gelatin