Polymer là vật liệu chất mang có tính chất của hệ keo phổ kích thước từ 10 tới
1000 nm. Như đã trình bày trong phần hạt polymer kích thước micromet ở chương 2,
hạt polymer nano cũng được sử dụng dưới hai dạng là “nanocapsule” và “nanosphere”.
Sau hơn 30 năm nghiên cứu (từ năm 1957), có rất đa dạng các loại polymer được sử
dụng để phát triển hệ thống chuyển giao vaccine theo đường miệng. Polymer được
đánh giá là vật liệu thích hợp cho hệ thống chuyển giao thuốc bởi những chỉ tiêu về
tính khả dụng sinh học (bioavailability), tính tương thích sinh học (biocompatibility), dễdàng được sản xuất, và đặc biệt là tốc độ phân hủy có thểđược kiểm soát để duy trì sự giải phóng thuốc hay vaccine liên tục [14]. Bản chất của polymer sử dụng có ảnh
hưởng quan trọng lên kích thước của hạt polymer được tạo thành và khả năng giải phóng vaccine [14]. Polymer có nguồn gốc tự nhiên giải phóng thuốc khá nhanh khi
vào cơ thể, còn các polymer tổng hợp có thể kéo dài sự phóng thích trong thời gian từ vài ngày đến vài tuần, điều này có thểđược tác động thêm bởi những thay đổi về tính chất hóa lý của vật liệu. Một vài loại polymer có mức nhạy cảm thấp với các điều kiện xử lý hay chế biến do thành phần hóa học của vật liệu, khối lượng phân tử và mức độ
kết tinh của polymer [14]. Về mặt công nghệ, phương pháp để sản xuất hạt polymer nano cũng rất đa dạng, có thể cho phép thay đổi cấu trúc, thành phần hóa học và đặc
59
và tính chất hòa tan của hợp chất hoạt động (thuốc hay vaccine) đi kèm với hạt nano. Một số loại vật liệu polymer có thểđược liệt kê như:
Dạng tổng hợp: PLA (poly lactic acid), PLGA (poly lactic-co-glycolic acid),
PCL (poly ε-caprolactone), poly methyl methaacrylate, poly alkyl cyanoacrylate…
Dạng tự nhiên: albumin, gelatin, alginate, collagen, chitosan…
Về mặt thực tiễn ứng dụng, polyester được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp với các polymer khác là hệ vật liệu được ứng dụng rộng rãi nhất để tạo các hạt polymer nano.
PLGA và PLA có tính tương thích và phân hủy sinh học cao, được sử dụng từ những
năm 80 cho nhiều nghiên cứu ứng dụng in vivo. Gần đây, các vật liệu tự nhiên bắt đầu
được khai thác nghiên cứu. Cho tới bây giờ, chitosan được đánh giá là vật liệu có nhiều kết quả giá trị nhất [14], đặc biệt bởi khảnăng tăng cường hấp thu, tính kết dính niêm dịch, sự loại bỏ các dung môi hóa chất khi sản xuất và một số đặc điểm khác đã
được giới thiệu ở phần trước.
Hạt kích thước nano thường được tạo thành dựa trên nguyên tắc phân tán các
polymer đã được tổng hợp, với nhiều kỹ thuật được sử dụng. Một vài điểm sơ lược về các phương pháp được sử dụng:
Ngưng tụ hạt nano (nanoprecipitation): là phương pháp ngưng tụ các polymer
không tan trong nước khi thêm nước vào dung dịch chứa polymer và dung môi hữu cơ
có khảnăng trộn lẫn với nước [35]. Phương pháp này thường ứng dụng để bao gói các chất ưu béo để hình thành “nanosphere”.
Bốc hơi dung môi (solvent evaporation): có thể sử dụng để bao gói các loại thuốc hay vaccine kỵ nước và ưa nước. Trong cả hai trường hợp, polymer đều được phân tán trong dung môi hữu cơ không trộn lẫn với nước như methylene dichloride,
chloroform hay ethyl acetate. Nếu chất được bao gói kỵnước, dung dịch sau đó được nhũ hóa với pha nước chứa chất hoạt động bề mặt tạo thành hệ dầu trong nước (oil-in-
water) và sau đó pha dung môi hữu cơ được cho bốc hơi. Nếu chất được bao gói ưa nước, hệ nhũ tương nước trong dầu (water-in-oil) đầu tiên được tạo thành, sau đó pha nước chứa chất hoạt động bề mặt được bổ sugn tạo thành hệ nước trong dầu trong
nước (water-in-oil-in-water), sau đó dung môi hữu cơ cũng được bốc hơi. Dung dịch sau khi bốc hơi hòa toàn dung môi hữu cơ được ly tâm để tách hạt nano ra khỏi chất hoạt động bề mặt [14].
Kỹ thuật “salting-out”: hai dung dịch cần chuẩn bị riêng biệt, một là dung dịch chứa một polymer ưa nước (thường là PVA có vai trò ổn định hệ keo) với hàm lượng muối cao, dung dịch ở dạng gel; hai là polymer bao gói được hòa tan trong dung môi hữu cơ có khảnăng trộn lẫn với nước. Khi cho một phần dung dịch gel vào dung dịch hữu cơ, hiện tượng salting-out dẫn đến sự hình thành hai pha dung dịch như hệ nhũ tương nước trong dầu (water-in-oil). Khi dung dịch gel tiếp tục được thêm vào tạo
60
thành hệ nhũ tương dầu trong nước (oil-in-water). Sau đó, nước được bổ sung với
lượng vừa đủ, toàn bộ dung môi hữu cơ sẽ khuếch tán vào pha nước, kết quả là hình thành các hạt nano [27]. Đây cũng là kỹ thuật dựa trên nguyên tắc nhũ hóa – khuếch tán (emulsification-diffusion), nhưng tránh được sử dụng dung môi chlorine và lượng lớn chất hoạt động bề mặt [14].
Các polymer nano tự nhiên cũng được tạo thành bằng phương pháp tách dung
môi. Ngoài ra, còn có phương pháp tụ giọt (coacervation), ion hóa gel (ionic gelation), là những phương pháp ôn hòa với ưu điểm không cần sử dụng dung môi hữu cơ. Với
phương pháp cation hóa gel tạo ra được hạt polymer tích điện dương, hình thành tính kết dính với niêm dịch tích điện âm.
Vì hạt polymer được tiếp nhận bởi tế bào ruột phụ thuộc vào kích thước, nên kích
thước hạt là chỉ tiêu đánh giá quan trọng. Đó cũng là lý do vì sao mỗi thông số ảnh
hưởng đến kích thước hạt nano đều phải được kiểm soát. Với mỗi phương pháp và vật liệu, những thông số chìa khóa đã và đang được nghiên cứu, với mục tiêu thiết kế quy trình tối ưu kích thước hạt nano tạo thành. Có thể kểđến một vài thông sốảnh hưởng
đến tạo hạt nano từPLGA như số chu kỳđồng hóa, sự bổ sung chất phụ trợ trong pha
nước, hàm lượng thuốc hay vaccine, và tỉ lệ các pah trong hệ nhũ tương [14]. Bên cạnh
đó, nồng độ và bản chất của các chất hoạt động bề mặt dường như cũng ảnh hưởng đến
kích thước hạt, nồng độ cao chất hoạt động bề mặt làm giảm kích thước của phức hợp. Khối lượng phân tử của polymer cũng ảnh hưởng đến kích thước hạt nano với nguyên tắc: khối lượng phân tử càng cao, hạt nano sẽ có kích thước hạt nhỏ hơn và kém đa
phân tán [14].
Tính chất bề mặt của hạt nano cũng giữ vai trò quyết định sự tiếp thu hạt nano. Tính kỵ nước và sự tích điện bề mặt bị ảnh hưởng nhiều bởi thành phần cấu tạo polymer. Bề mặt hạt nano có thể được thay đổi bằng cách phủ hay gắn một phân tử khác. Ngoài ra, để việc ứng dụng trên thực tế có hiệu quả, vaccine được bao gói trong hạt polymer nano phải giữ được tính ổn định, nguyên vẹn, điều này tác động lên tính khả dụng sinh học và hiệu quảdược lý. Các thông số trong quá trình tạo hạt nano ảnh
hưởng lên vấn đề này cũng đã được nghiên cứu. cụ thể với kỹ thuật hệ nhũ tương đa
pha, nhiệt độ quá trình và thời gian bốc hơi dung môi hữu cơ được khảo sát, và cho thấy hai yếu tố này không làm thay đổi tính chất hạt nano, nhưng tác động đến hiệu quả của việc vi gói [19]. Kết quả cũng cho thấy thời gian bốc hơi dung môi được thực hiện càng ngắn càng tốt, và nhiệt độ tiến hành tạo hạt nano được kiến nghị là 0oC để
giảm thiểu sự phân hủy của thuốc [19].
Liên quan đến vấn đề cải biến tính chất bề mặt của hạt nano, nhiều nghiên cứu đã
và đang được triển khai nghiên cứu, với hai hướng chính như đã giới thiệu là thay đổi tính chất hóa lý của bề mặt và hướng đi khác là gắn một ligand định hướng cho hạt nano.
61
Cải biên tính chất bề mặt hạt nano
Với hướng đi đầu tiên, bề mặt hạt nano được phủ thêm bởi một polymer khác
tương tác ổn định với nước, có tính kết dính hay các chất hoạt động bề mặt, hoặc tính chất bề mặt có thểđược thay đổi bởi việc điều chỉnh thành phần các polymer ưa nước trong cấu trúc vật liệu polymer. Tất cả những sựthay đổi trên nhằm làm thay đổi điện thế zeta, cũng như tính kỵnước từđó tăng cường tính ổn định của hệkeo, đặc tính kết dính của hạt nano, sự hấp thu protein trên bề mặt, và cuối cùng là tăng hiệu quả hấp thu hạt nano theo đường miệng. Một số ứng dụng về tính cải biên bề mặt được thực hiện như sự PEG hóa (PEGylated formulation), hay phủ bề mặt với chitosan. PEG có tính chất ổn định cao, các mạch của PEG hình thành cấu trúc hàng rào không gian
ngăn chặn sự thực bào và tương tác với đại thực bào [14]. Nhiều loại copolymer được hình thành như PLA-PEG, PLGA-PEG, PCL-PEG, với mạch ưa nước của PEG nằm ở
bề mặt hạt nano. Sự kết hợp này tạo ra polymer lưỡng tính, có tính chất hóa lý trên bề
mặt thay đổi so với polymer đơn lẻ như điện thế zeta được trung hòa, giảm tính kỵ nước, và có tác động không lớn đến kích thước hạt [14]. Chitosan, một loại polymer với tính kết dính niêm dịch, được xem là một trong những vật liệu polymer tốt nhất để
phủ bên ngoài bề mặt hạt nano. Kết quả là polymer tạo thành với chitosan trên bề mặt có tính ổn định tốt hơn và khảnăng kết dính tốt với dịch nhầy niêm mạc.
Định hướng hạt nano
Giải pháp thứhai là ghép các ligand đặc hiệu trên bề mặt hạt nano để định hướng chuyên biệt hạt nano đến các thụ thể tương ứng biểu hiện trên bề mặt các tế bào hấp thu hay tế bào M. Nhiều dạng ligand khác nhau đã được thử nghiệm nhưng riêng họ lectin (lectin family) được nghiên cứu nhiều nhất. Lectin là phân tử protein tự nhiên hay glycoprotein liên kết thuận nghịch và đặc hiệu với nhóm đường, kết dính tế bào với các polysaccharide, liên quan đến dấu hiệu nhận biết nhiều loại tế bào. Sự kết hợp của lectin với các hạt polymer nano tăng đáng kể sự vận chuyển xuyên qua lớp nhầy nhờ mối tương tác hiệu quả hơn với dịch nhầy và/hay bề mặt của tế bào biểu mô hay nhờ thúc đẩy sự di chuyển của hạt nano [14]. Một loại ligand khác gọi là peptide
ligand, được biết đến nhiều với tên RGD (arginine-glycine-aspartate), phân tử này
định hướng hạt nano đến thụ thể β1 integrin nằm trên bề mặt tế bào M. Các loại phân tử ligand này có thể được gắn với liên kết cộng hóa trị hay không phải liên kết cộng hóa trị lên bề mặt polymer, với mục tiêu chính yếu là định hướng xác định cho hạt nano, khác với phương pháp cải biến bề mặt là cải thiện những tương tác không xác định.