1.2. Giới thiệu về chitosan
1.2.3. Các ứng dụng của chitosan
Dung dịch chitosan có thể hình thành một màng mỏng bền, có độ tương hợp sinh học cao trên các vật liệu rắn như điện cực glassy carbon và thủy tinh, rất phù hợp để phát triển các vật liệu cảm biến sinh học [20]. Cấu trúc ưa nước của chitosan có khả năng bảo vệ tốt hạt nano vàng. Trong tổng hợp nano vàng, chitosan đóng vai trò vừa là chất khử, vừa là chất bảo vệ do có nhiều nhóm amino và hydroxyl trong phân tử. Ngoài ra, vì chitosan là một polymer ưa nước và có cấu trúc phân tử linh hoạt nên nó cũng hoạt động như một tác nhân định hướng, ảnh hưởng đến hình dạng nano vàng thông qua tương tác của các nhóm chức với tinh thể vàng. Zhu và cộng sự đã báo cáo quá trình tổng hợp nano Au với sự hiện diện của chitosan khối lượng phân tử thấp .
Chitosan và các dẫn xuất của nó là vật liệu tiềm năng cho việc thiết kế và gắn kết các phân tử DNA. Việc sử dụng chitosan cho thuốc sinh học bị giới hạn vì khối lượng phân tử cao của chúng do khó hòa tan trong nước tại pH trung tính. Độ lớn các mạch polymer của phân tử chitosan khi gắn kết với DNA đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế tạo phức. Các oligomer với khối lượng phân tử khoảng 4,7 kDa hình thành phức bền khi gắn kết với phân tử DNA. Khối lượng phân tử của mạch oligomer chitosan thấp hơn 2,7 kDa sẽ hình thành phức DNA–chitosan không bền và nó không hiệu quả trong quá trình chuyển gen. Phức được hình thành trên phân tử oligomer chitosan có khối lượng phân tử khoảng từ 10 đến150 kDa cho quá trình vận chuyển DNA tốt nhất [74].
Chitosan còn được biết đến với vai trò xác định các kim loại nặng, xúc tác, dẫn truyền thuốc. Các nghiên cứu trước đây cho rằng tương tác điện tích xuất hiện giữa nhóm amino và tiền chất muối vàng, quá trình khử của liên kết disulphide tương tác với hạt nano vàng. Franconeti và cộng sự đã mô tả về mặt lý thuyết về sự hình thành liên kết dựa trên hóa học tính toán của chitosan đối với các hạt nano vàng. Hạt nano vàng được hình thành bởi 3000 nguyên tử vàng có kích thước 7 nm được bao phủ bởi 52 mạch chitosan tạo thành 20 đơn vị glucosamine. Phản ứng tương tác của chitosan với các hạt nano vàng diễn ra rất nhanh, kết thúc sau 112 ns [75].
Hình 1.12. Ảnh mô phỏng hệ thống chứa 3 nano vàng: (a) vị trí lúc 0 ns, (b) nano vàng được bao bọc bởi chuỗi chitosan ở 36 ns và (c) cấu trúc cuối cùng ở
1350 ns [75]
Trong ứng dụng xúc tác, hạt nano đồng được đính lên các sợi chitosan và hoạt động như một xúc tác dị thể cho phản ứng ghép đôi C–S của aryl halides và thiophenol trong toluene. Công trình của Frindy và cộng sự cho thấy chất xúc tác có thể được tái sử dụng với điều kiện thích hợp [76]. Chitosan-đồng có hoạt tính xúc tác trên aryl iodides tốt hơn trên aryl bromides và chlorides.
Hình 1.13. Quy trình điều chế Cu–chitosan [76].
Sugunan và cộng sự đã tổng hợp nano vàng với chất bảo vệ là chitosan trong xác định các kim loại nặng [77]. Chitosan có tính chất là một polycationic có thể hoạt hóa quá trình gắn kết với các hạt nano vàng tích điện âm thông qua tương tác
tĩnh điện. Việc sử dụng chitosan có thể đáp ứng hai mục tiêu là tạo cấu trúc không gian do độ dài của mạch polymer đảm bảo cho sự ổn định của hệ keo đồng thời có thể tạo các nhóm chức năng cho các hạt nano trong cảm biến. Tính chất tạo phức chelating của chitosan cùng với tính nhạy quang của hạt nano vàng được sử dụng trong xác định các ion kim loại ở nồng độ thấp. Sự so sánh về cường độ hấp thu quang của hệ keo trước và sau khi xử lý với ion kim loại cho phép xác định được nồng độ của chúng.
Chitosan cho thấy có khả năng xúc tác hiệu quả trong phản ứng tổng hợp của α- amino nitriles hoặc imines từ vòng thơm aldehydes và amines ở điều kiện phản ứng nhiệt độ phòng cho hiệu suất cao [78]. Dẫn xuất α-amino nitriles được tổng hợp qua phản ứng Strecker sử dụng trimethylsilyl cyanide (TMSCN) được xúc tác bởi chitosan đóng vai trò là xúc tác dị thể. Sự hiện diện của nhóm NH2 trên chitosan và khả năng ít tan của nó trong nước tinh khiết là ưu điểm của chitosan mang lại nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghiệp hóa bao gồm cả xúc tác dị thể. Khi chitosan có cả hai nhóm hydroxyl và nhóm amino nó có thể chuyển hóa thành nhiều dạng khác nhau và tham gia vào các phản ứng hóa học với khả năng xúc tác đa dạng.
Hơn nữa, khi sử dụng một lượng nhỏ các xúc tác hữu cơ có thể thay thế được các xúc tác kim loại truyền thống trong nhiều trường hợp phản ứng xảy ra trong môi trường phân tách pha.
Hình 1.14. Phản ứng Strecker của các hợp chất cacbonyl và các amin với TMSCN xúc tác bởi chitosan (A), tổng hợp imines bởi chitosan (B) [78]
Sahu và cộng sự đã nghiên cứu một phương pháp tổng hợp dẫn xuất dị vòng nitrogen bằng phản ứng một giai đoạn ba thành phần của vòng thơm aldehydes,
dicarbonyl và 2–aminobenzothiazole/3-amino-1,2,4-triazole/urea/thiourea sử dụng chitosan thương mại và nồng độ acid acetic 2% trong môi trường nước ở 60–65 0C [78] . Chitosan được sử dụng với vai trò là một xúc tác xanh và khả năng phân hủy tốt cho phản ứng nhiều thành phần. Xúc tác chitosan có khả năng tái sử dụng 10 lần khi thực hiện các phản ứng tổng hợp. Hiệu quả xúc tác ổn định trong 5 phản ứng đầu tiên và giảm nhẹ trong các lần sử dụng tiếp theo.
Nguyen và cộng sự đã tổng hợp nano Ag hydrogels với tác nhân ổn định là chitosan và gelatin [79]. Màng nano bạc được tạo ra bằng cách phủ hydrogels lên sợi PCL (polylactic acid). Vật liệu tổng hợp được phân tích tính chất quang và cấu trúc hình thái với kính hiển vi nhằm so sánh các chất bảo vệ với nhau. Khả năng kháng khuẩn được so sánh trên cả hai vật liệu là bạc hydrogel và màng, kết quả cho thấy gelatin cho khả năng ổn định cao hơn khi ứng dụng trong vật liệu màng trong khi chitosan cho thấy khả năng ức chế vi khuẩn tốt hơn ở dạng hydrogels. Chitosan được sử dụng trong nghiên cứu này với mục tiêu tạo ra khả năng kháng khuẩn hiệu quả và ngăn sự bội nhiễm của vết thương. Vật liệu nano bạc hydrogel được thử nghiệm trên phương pháp khuếch tán thạch trên hai chủng Gram âm (E. coli và P.
aeruginosa) và hai chủng Gram dương (S. aureus và S. sciuri). Kích thước của mỗi màng khuếch tán khoảng 10 mm [79].
Razavi và cộng sự đã nghiên cứu quá trình phóng thích các chất dinh dưỡng thần kinh thông qua hệ thống phân phối trên nền vật liệu nano chitosan [80]. Nghiên cứu này cung cấp một định hướng quan trọng trong y tế và chăm sóc sức khỏe, đặc biệt trên các mô thần kinh. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm giữ các hạt nano vàng và yếu tố tăng trưởng tế bào thần kinh trên hạt nano chitosan và đánh giá hiệu quả trên một số tế bào gốc ở người có nguồn gốc từ mô mỡ (h-ADSCs) và một số tế bào Schwann. Hạt nano chitosan và các yếu tố tăng trưởng thần kinh được tổng hợp bằng phương pháp gel hóa ionotropic và tripolyphosphate như là một tác nhân tạo nối ngang. Sau khi tổng hợp phân tích các hạt nano thì hiệu quả phóng thích các yếu tố tăng trưởng thần kinh được đánh giá với phương pháp Bradford. Sau đó, hiệu quả của vật liệu nano tổng hợp được đánh giá trên tế bào có nguồn gốc từ mô mỡ ở người được đánh giá với phương pháp MTT. Hiệu suất của khả năng lưu giữ tăng
trưởng thần kinh khoảng 85% và kiểm soát được khả năng phóng thích ổn định trong 7 ngày với các thử nghiệm in vitro (74,63 ± 2,07%). Kết quả của nghiên cứu này cho thấy các hạt nano chitosan có khả năng tương hợp với tế bào.
Phan và cộng sự đã tổng hợp nano palladium cấu trúc xốp có hình dạng cánh hoa và được ứng dụng trong chụp ảnh quang hóa [81]. Phương pháp mới này dựa trên quá trình khử bởi vitamin C và chất bảo vệ chitosan. Trong quy trình tổng hợp này, chitosan không những hoạt động như một chất bảo vệ mà còn là tác nhân kiểm soát kích thước. Mô hình phát triển của nano vàng dạng bông hoa được đề nghị nhằm làm sáng tỏ cơ chế hình thành từ ion Au3+. Hạt nano vàng thu được cho khả năng tương hợp sinh học cao và cho cường độ hấp thu cận hồng ngoại mạnh. Hạt nano được chứng minh là có hiệu quả tác dụng tốt trong liệu pháp chụp ảnh nhiệt và chụp ảnh quang hóa.
Manivasagan và cộng sự đã tổng hợp nano vàng dạng thanh được cải tiến bề mặt với chitosan oligosaccharide có độ tương hợp sinh học cao và được ứng dụng như một tác nhân chụp ảnh quang học trong xử lý tế bào ung thư vú. Nano vàng dạng thanh với bề mặt được cải tiến với các nhánh chitosan cho cường độ hấp thu cận hồng ngoại cao tại bước sóng 838 nm với kích thước trung bình khoảng 26 nm.
Nhiệt độ của vật liệu nano vàng dạng thanh–chitosan có thể nhanh chóng đạt đến 52,6 0C trong 5 phút trong điều kiện nhiễu xạ NIR là 2 W/cm2. Vật liệu nano vàng dạng thanh cho thấy độc tính thấp nhưng khả năng diệt tế bào ung thư cao khi thực hiện thử nghiệm in vitro. Các khối u nằm trên chuột được loại bỏ sau khi điều trị với các liệu pháp quang nhiệt với nồng độ nano vàng dạng thanh–chitosan là 25 g/mL. Nghiên cứu này cho thấy nano vàng dạng thanh–chitosan mạch ngắn là một vật liệu mới đem lại nhiều hứa hẹn trong điều trị ung thư và có thể thực hiện trong các thử nghiệm lâm sàng trong tương lai gần [82].
Các chitosan mạch ngắn còn được sử dụng làm tăng khả năng tương hợp sinh học của hạt nano palladium và gắn kết với các peptide RGD, với mục tiêu tăng khả năng tích tụ trong tế bào ung thư vú EDA–MB–231. Kết quả cho thấy liệu pháp điều trị quang học tăng lên rất nhiều khi sử dụng tia laser có bước sóng 808 nm. Vật liệu nano palladium phủ các chitosan mạch ngắn liên kết với peptide RGD có độ
tương hợp sinh học tốt, dễ phân tán trong nước, hệ keo và bền trong dịch sinh học.
Hơn nữa, vật liệu Pd@COS–RGD cho tín hiệu chụp ảnh quang học có độ khuếch đại tốt khi thực hiện trên các mô ung thư. Pd@COS–RGD là một tác nhân chẩn đoán ung thư hiệu quả có cấu trúc nano và được thực hiện với các tia laser cận hồng ngoại [83].