CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN POLYMER NHẠY CẢM VỚI MÔI TRƯỜNG
1.1 Polymer nhạy cảm với môi trường (Polymer thông minh)
1.1.3 Ứng dụng của polymer thông minh trong lĩnh vực y sinh
Polymer thông minh được dùng để chế tạo hydrogel như chất làm hệ thống phân phối thuốc, khung (scaffold) trong kỹ thuật nuôi cấy mô và tái sinh sinh học.
Multiblock poly(ester amino urethane)s nhạy pH/nhiệt độ được tổng hợp bằng sự
“coupling” giữa poly(amino urethane) (PAU) không phân hủy sinh học với triblock copolymer PCL–PEG–PCL phân hủy sinh học thông qua phản ứng ngưng tụ để thu được multiblock copolymers (PCL–PEG–PCL–PAU)x nhạy pH/nhiệt độ. Sự hiện diện của đoạn PAU có khả năng ion hóa với các nhóm amine bậc 3 đóng vai trò nhạy pH trong mạch copolymer (Hình 1.10 a). Tại các giá trị pH dưới 7.0, các nhóm piperazine của đoạn poly(amino urethane) (PAU) bị ion hóa, do đó hình thành dung dịch copolymer (20 wt.%) tồn tại ở trạng thái sol cho đến 80oC nhờ vào lực đẩy tĩnh điện của các nhóm piperazine (Hinh 1.10b). Ngược lại, tại pH sinh lý học 7.4, dung dịch copolymer cho thấy sự chuyển pha sol–gel khi nhiệt độ tăng đến 37oC, quá trình này phụ thuộc vào sự cân bằng ưa nước/kị nước và độ dài của từng block. Cơ chế hình thành gel trong multiblock copolymer được khống chế bởi các micelles liên kết với nhau. Sau khi dung dịch multiblock copolymer 20 wt.% được tiêm dưới da vào chuột, hydrogel được hình thành in vivo trong thời gian ngắn (Hình 1.10c). Quá trình nhả
12
thuốc PTX từ multiblock copolymer hydrogels đã được theo dõi trong vòng 1 tháng dưới các điều kiện sinh lý học.
Hình 1.11 (a) Cấu trúc hóa học, (b) Đồ thị chuyển pha sol–gel, và (c)Khối gel in vivo sau khi tiêm dung dịch multiblock copolymer 20 wt.% (PCL–PEG–PCL–PAU)x Triblock copolymer dùng cho đường tiêm poly(amidoamine)-poly(ethylene glycol)-poly(amidoamine) PAA–PEG–PAA thể hiện khả năng nhạy pH/nhiệt độ, được ứng dụng làm keo sinh học (Hình 1.11a). Sử hiện diện của các khối poly(amidoamine) (PAA) trong triblock polymer đảm nhiệm cả vai trò nhạy pH và nhiệt độ, chuyển đổi từ trạng thái ưa nước sang kị nước khi pH hay nhiệt độ tăng. Sử chuyển pha sol-gel của copolymer này trong môi trường nước (12.5 wt.%) được mô tả thông qua hàm pH và nhiệt độ ở Hình 1.11b. Tại pH thấp (~6.8), polymer tan ra do sự hiện diện của các block PAA bị ion hóa và duy trì trạng thái sol cho tới 60oC. Ngược lại, tại pH cao hơn 7.0, sự de-ion hóa của các blocks PAA và sự liên kết của các micelles đã làm hình thành gel. Hơn nữa, tại nhiệt độ cao (37oC), tính kị nước của các block PAA được tăng cường và làm các micelles liên kết và sắp xếp xít chặt hơn. Trạng thái sol–gel được điều khiển bởi việc điều chỉnh trọng lượng phân tử của PEG và PAA, và thay đổi nồng độ PAA–PEG–PAA. Các thí nghiệm vivo cho thấy rằng trong lúc tiêm dưới da dung dịch copolymer vào chuột, khối gel được hình thay ngay lập tức. Copolymer hydrogels
13
thể hiện mạnh khả năng kết dính (hình 1.11c) và nhả thuốc Offlubiprofen có điều khiển.
Hình 1.12 (a) Cấu trúc hóa học, (b) Giản đồ chuyển pha sol-gel c a dung dịch triblock copolymer PAA–PEG–PAA 12.5 wt.% trong m i tr ờng n ớc. (c) In vivo hydrogel
đ ợc tìm thấy dính chặt vào da chuột SD sau 1phút
Multiblock copolymers [PEG–PAEU]x được tổng hợp bằng phản ứng giữa các nhóm isocyanate HDI và các nhóm hydroxyl cuối mạch PEG và các monomer amino ester dihydroxyl (HPB) với xúc tác DBTL. Các copolymers này có các nhóm urethane và amine bậc 3, chúng cho liến kết hydrogen mạnh và tương tác ion với các thuốc anionic và proteins. Dung dịch nước của [PEG–PAEU]x copolymers thể hiện sự chuyển pha sol-to-gel khi pH và nhiệt độ tăng (Hình 1.12a&b). Tại pH và nhiệt độ thấp (pH 6.0, 200C), copolymers tồn tại ở trạng thái sol do sự đẩy tĩnh điện giữa các block PAEU bị ion hóa. Ngược lại, trong điều kiện sinh lý học (pH 7.4, 37°C), các block PAEU bị de-ion hóa bằng các tương tác kị nước và kiên kết Hydro giữa các block PAEU, điều đó dẫn đến việc hình thành gel. Quá trình hình thành gel còn được điều khiển bởi tỉ lệ PEG/PAEU, nồng độ copolymer, trọng lượng phân tử của PEG.
14
Hình 1.13 (a) Giản đồ chuyển pha sol–ge , (b)Cơ chế hình thành gel c a multiblock copolymer hydrogels [PEG–PAEU]x (20 wt.%)
Một dạng hydrogel mới (lưỡng tính, phân hủy sinh học, tương thích sinh học), poly(urethane amino sulfamethazine)-based block-copolymers (PUASM), được thiết kế, nó thể hiển tính chất của các cationic và anionic hydrogels với sự thay đổi pH và nhiệt độ (Hinh 1.13). Block copolymers PUASM được tổng hợp bằng phản ứng của
15
1,6-diisocyanatohexamethylene (HDI) và các nhóm hydroxyl của dihydroxyl amino sulfamethazine monomer (DHASM) và của triblock poly(-caprolactone-lactide)- poly(ethylene glycol)-poly-(-caprolactone-lactide) (PCLA–PEG–PCLA) copolymers với xúc tác là dibutyl tin dilaurate (DBTL). Tính chất lưỡng tính của block copolymers PUASM được xác thực bởi Điện thế zeta. Copolymers cho thấy vòng chuyển pha sol–
gel–sol khép kín nhờ vào sự tồn tại của anionic sulfonamide và cationic amine bậc 3, là các nhóm nhạy pH trong the poly (amino sulfamethazine) (PASM) blocks.
Hình 1.14 (a) Giản đồ chuyển pha sol-ge (25 wt.%), (b) Cơ chế chuyển pha sol-gel c a PUASM hydrogels. c) Khối gel in vivo PUASM-2 (25 wt.% hydrogels) sau 5min và
1 tuần sau hi đ ợc tiên vào SD rats tại nhiệt độ phòng và tại pH 8.0 và pH 6.8
16
Hình 1.15 Ứng dụng c a copolymer nhạy nhiệt PNIPAAm trong điều trị thoái hóa cột sống.
Với những tính chất ưu việt về sự tương thích, phân hủy sinh học, cơ tính cũng như khả năng đáp ứng những tác động từ môi trường (nhiệt độ, pH, điện, ánh sáng,…) mà trong những năm gần đây việc nghiên cứu và ứng dụng polymer thông minh trong lĩnh vực y sinh là hướng đi được các nhà nghiên cứu quan tâm. Các nghiên cứu này hướng tới việc chế tạo các loại vật liệu có khả năng làm hệ thống phân phối thuốc mang lại hiệu quả tối ưu (nghĩa là nồng độ thuốc/protein trong máu được duy trì ổn định ở vùng trị liệu trong thời gian dài nhất, không gây tác dụng phụ,…).
Dựa vào điều kiện sinh lý của cơ thể (nhiệt độ, pH, nồng độ ion,…) các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo các loại polymer nhạy nhiệt độ nhằm làm hệ thống phân phối thuốc hiệu quả mà có khả năng đáp ứng sự thay đổi nhiệt độ khi được tiêm vào cơ thể (nhiệt độ sinh lý 37°C). Một số triblock copolymer nhạy nhiệt đó là: PCL-PEG- PCL, PCLA-PEG-PCLA,…
Tuy nhiên, việc ứng dụng polymer nhạy nhiệt làm hệ thống phân phối thuốc dưới dạng tiêm lại gặp khó khăn vì các lý do sau:
Sự nhạy nhiệt nhanh ngay khi được tiêm vào cơ thể, làm chúng keo tụ gây khó khăn trong việc sử dụng.
17
Trên mạch polymer nhạy nhiệt thường có ít các nhóm chức làm giới hạn việc kết hợp loại vật liệu này với các peptide/protein có tính ion.
Các polymer nhạy nhiệt khó hòa tan trong nước, do đó muốn sử dụng phải hòa tan trước nên có thể bị giảm cấp một phần, làm giảm hoạt tính sử dụng.
Các polymer nhạy nhiệt hầu hết là polyester nên khi phân hủy sẽ sinh ra nhiều nhóm acid làm giảm pH cục bộ môi trường, ảnh hưởng đến tế bào và peptide/protein.
Các nhược điểm trên được tháo gỡ bằng cách ghép polymer nhạy nhiệt với polymer có khả năng nhạy pH ở môi trường sử dụng. Sự kết hợp này hạn chế tính nhạy nhanh của polymer nhạy nhiệt; bên cạnh đó, các polymer nhạy pH có nhiều nhóm chức hơn nên có thể làm tăng khả năng hòa tan của polymer nhạy nhiệt.