VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN THỊ NGOAN

NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU LAI VÔ
CƠ (Ag, Fe3O4) – HỮU CƠ (CHITOSAN) CẤU TRÚC NANO
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2016


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………

NGUYỄN THỊ NGOAN

NGHIÊN CỨU, TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU LAI VÔ
CƠ (Ag, Fe3O4) – HỮU CƠ (CHITOSAN) CẤU TRÚC NANO
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC
Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 62440125
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Trần Đại Lâm
2. PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung


Nguyễn Thị Ngoan


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... 8
MỞ ĐẦU................................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 13
1.1.

Chitosan ................................................................................................... 13

1.1.1.

Giới thiệu chung về chitosan ............................................................. 13

1.1.2.

Tổng hợp và tính chất của chitosan ................................................... 14

1.1.3.

Ứng dụng của chitosan trong lĩnh vực y sinh ................................... 16

1.1.4.

Curcumin ........................................................................................... 17


1


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM . 40
2.1. Nguyên liệu và hóa chất .............................................................................. 40
2.2. Phương pháp thực nghiệm .......................................................................... 40
2.2.1. Phương pháp chế tạo nanocompozit chứa nano bạc trên nền chiosan
(CS/AgNPs) ..................................................................................................... 40
2.2.1.1. Phương pháp sử dụng chất khử NaBH4 ......................................... 41
2.2.1.2. Phương pháp không sử dụng chất khử .......................................... 41
2.2.1.3. Phương pháp đưa nanocompozit CS/AgNPs lên trên bề mặt vải . 42
2.2.1.4. Phương pháp mang curcumin lên vật liệu CS/AgNPs ................... 42
2.2.2.

Chế tạo nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan

(CS/MNPs) ...................................................................................................... 43
2.2.2.1. Phương pháp đồng kết tủa .............................................................. 43
2.2.2.2. Phương pháp oxi hóa kết tủa .......................................................... 45
2.2.2.3. Phương pháp phân tán CS/MNPs trong CS biến tính với chất phát
quang ........................................................................................................... 46
2.2.3. Chế tạo nanocompozit chứa hạt nano bạc- sắt từ trên nền chitosan
(CS/AgNPs-MNPs) ......................................................................................... 47
2.2.3.1. Phương pháp chế tạo nanocompozit CS/AgNPs-MNPs ............... 47
2.2.3.2. Phương pháp mang curcumin lên vật liệu CS/AgNPs-MNPs ...... 47
2.2.3.3. Thực nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ ............................................... 48
2.3. Các phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 49
2.3.1. Phương pháp xác định cấu trúc nanocompozit ..................................... 49
2.3.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................... 49
2.3.1.2. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) ....................... 50

Tóm tắt kết quả phần 3.1 .................................................................................... 70
3.2. Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan .............................. 72
3.2.1. Đặc trưng cấu trúc ................................................................................. 72
3.2.2. Hình thái học ......................................................................................... 74
3.2.3. Tính chất lý, hóa, sinh học .................................................................... 77
3.2.3.1. Tính chất từ .................................................................................... 77
3.2.3.2. Tính chất huỳnh quang ................................................................... 79
3.2.4. Khả năng ứng dụng y sinh của CS/MNPs trong kênh vi lưu ................ 81
Tóm tắt kết quả phần 3.2: ................................................................................... 82
3.3. Vật liệu nanocompozit chứa nano sắt từ, nano bạc trên nền chitosan
(CS/AgNPs-MNPs).............................................................................................. 83
3.3.1. Cấu trúc ................................................................................................. 84
3.3.2. Hình thái học ......................................................................................... 86
3.3.3. Tính chất hóa, lý, sinh học .................................................................... 87
3.3.3.1. Tính chất siêu thuận từ ................................................................ 87
3


3.3.3.2. Hoạt tính sinh học .......................................................................... 92
3.3.4. Khả năng mang curcumin ..................................................................... 94
Tóm tắt kết quả phần 3.3 .................................................................................... 94
Kết luận chung ....................................................................................................... 96
Định hướng nghiên cứu tiếp theo ......................................................................... 97
Một số điểm mới của luận án ............................................................................... 98
Danh mục các công trình công bố của nghiên cứu sinh..................................... 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 100

4




CS/AgNPs3

Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp dùng chitosan trong lò vi sóng

CS/MNPs

Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan

CS/MNPs1

Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa dưới dòng nitơ trơ

CS/MNPs2

Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp đồng kết tủa trong hệ vi lưu

CS/MNP3

Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp oxy hóa kết tủa

CS-FITC

Chitosan biến tính với florescien isothiocyanat

Cur


FITC

Fluorescein isothiocyanat

IC50

Nồng độ ức chế tối thiểu 50% vi khuẩn, vi nấm
5


La

Lactobacillus fermentum

MNPs

Nano sắt từ Fe3O4

MS

Từ độ bão hòa

Pa

Pseudomonas aeruginosa

Sa

Staphylococcus aureus



DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thông tin về cấu trúc tinh thể của một số oxit sắt .................................. 27
Bảng 2.1. Các điều kiện sử dụng tổng hợp CS/ MNPs2 trong kênh vi lưu ............ 45
Bảng 3.1. Hàm lượng các nguyên tố trong CS/AgNPs3 ........................................ 60
Bảng 3.2. Kết quả xác định IC50 trên vi khuẩn và nấm của nanocompozit
CS/AgNPs3.............................................................................................................. 68
Bảng 3.3. Các vị trí hấp thụ chính của CS, MNPs và CS/MNPs1 .......................... 73
Bảng 3.4. Bảng thành phần các nguyên tố trong CS/AgNPs-MNPs ...................... 85
Bảng 3.5. Các thông số Ts, dT/dt và SLP của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại
các giá trị khác nhau của từ trường. ........................................................................ 90
Bảng 3.6. Các thông số Ts, dT/dt của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng
độ khác nhau ............................................................................................................ 91
Bảng 3.7. Kết quả kích thước vòng vô khuẩn trên 2 chủng vi khuẩn E. Coli và P.
aeruginosa ............................................................................................................... 92

7


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc hoá học của chitin .................................................................... 14
Hình 1.2. Sơ đồ chuyển hóa chitin thành chitosan .................................................. 14
Hình 1.3. Các khả năng biến tính chitosan .............................................................. 15
Hình 1.4. Công thức hóa học của curcumin ............................................................ 18
Hình 1.5. Ứng dụng nanocompozit polyme/kim loại trong y sinh ......................... 19
Hình 1.6. Quá trình tạo phức của ion kim loại với chitosan ................................... 20
Hình 1.7. Cấu trúc lập phương tâm mặt của bạc kim loại...................................... 21
Hình 1.8. Cơ chế kháng khuẩn của AgNPs ............................................................. 23
Hình 1.9. Cấu trúc tinh thể Fe3O4. ........................................................................... 28

Hình 3.12. Phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs1, CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3 ..... 64
Hình 3.13. Ảnh FESEM của bề mặt sợi vải polyeste: (A) trước khi tẩm, (B) sau
khi tẩm CS/AgNPs2, (C) sau khi tẩm CS/AgNPs3 ................................................ 66
Hình 3.14. Hoạt tính kháng khuẩn E.Coli của vải tẩm CS/AgNPs2 và CS/AgNPs3
................................................................................................................................. 67
Hình 3.15. (A) Ảnh chụp dung dịch nước chứa CS/AgNPs và CS/AgNPs-Cur; (B)
TLC định tính Cur trong CS/AgNPs-Cur................................................................ 69
Hình 3.16. Phổ hấp thụ UV-VIS của (A) CS/AgNPs và (B) CS/AgNPs-Cur ........ 70
Hình 3.17. Giản đồ XRD của nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và
CS/MNPs3 ............................................................................................................... 72
Hình 3.18. Phổ IR của CS, MNPs và CS/MNPs1 ................................................... 73
Hình 3.19. Ảnh FESEM của: (A) CS; (B) CS/MNPs1, (C) CS/MNPs2; (D)
CS/MNPs3 ............................................................................................................... 75
Hình 3.20. Ảnh TEM của CS/MNPs2, FMNPs-M1 và FMNPs - M2 .................... 76
Hình 3.21. Công thức cấu tạo CS-FITC .................................................................. 77
Hình 3.22. Từ độ bão hòa của nanocompozit CS/MNPs1, CS/MNPs2 và
CS/MNPs3 ............................................................................................................... 78
Hình 3.23. Từ độ bão hòa của CS/MNPs và FMNPs – M1, FMNPs-M2. ............. 79
Hình 3.24. Phổ hấp thụ UV-vis của các mẫu FMNPs ............................................. 80
Hình 3.25. Phổ phát huỳnh quang (PL) của các mẫu FMNPs ................................ 80
Hình 3.26. Ảnh hưởng của từ trường ngoài đến chuyển động của FMNPs............ 81
Hình 3.27. Giản đồ XRD của CS/MNPs và CS/AgNPs-MNPs .............................. 84
9


Hình 3.28. Phổ EDX vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs............................ 85
Hình 3.29: Ảnh FESEM của vật liệu CS/AgNPs-MNPs ........................................ 86
Hình 3.30. Ảnh TEM của vật liệu nanocompozit CS/AgNPs-MNPs ..................... 87
Hình 3.31. Từ độ bão hòa của CS/MNPs và and CS/AgNPs-MNPs ...................... 88
Hình 3.32. Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs (1 mg/ml) tại

từ phế phẩm của ngành chế biến thủy hải sản, là polyme có hàm lượng đứng thứ 2 trong
tự nhiên (sau xenlulo) [86]. Chitosan mang đầy đủ đặc trưng ưu việt của chitin như: (i)
có tính tương thích sinh học và không độc hại, (ii) có khả năng phân hủy sinh học, (iii)
có tính hấp phụ cao.
Thêm vào đó, các chất gia cường nano như hạt nano bạc, nano sắt từ cũng đã được
chế tạo và ứng dụng thành công trong các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, trong chẩn
đoán và điều trị bệnh do mang các tính chất từ và tính chất quang cũng như tính kháng
khuẩn thú vị [1, 7, 15, 28, 32, 46, 97].
Vật liệu polyme nanocompozit kết hợp chất gia cường nano bạc, nano sắt từ trên
nền polyme chitosan hứa hẹn sẽ tăng cường ứng dụng của loại vật liệu này trong lĩnh
vực y sinh.
Chính vì vậy mục tiêu của luận án này là chế tạo vật liệu nanocompozit đa chức
năng chứa nano bạc, nano sắt từ trên nền chitosan nhằm kết hợp các tính chất quý báu
11


riêng rẽ của các vật liệu thành phần, tạo ra hệ polyme nanocompozit đa chức năng có
tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Với các lý do nêu trên, đề tài không chỉ có ý
nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn to lớn.

12


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Chitosan

1.1.1. Giới thiệu chung về chitosan
Chitosan (CS) là dạng đề axetyl hóa từ chitin, có cấu trúc polysacarit. Chitin

62000 tấn/năm, riêng ngành chế biến tôm đã là hàng nghìn tấn/năm [1]. Do đó việc
nghiên cứu tái sử dụng chúng thành các sản phẩm hữu ích là rất quan trọng.
1.1.2. Tổng hợp và tính chất của chitosan
Chitin có công thức phân tử dạng đơn giản là (C8H13O5N)n, được tạo thành
từ các phân tử N-axetyl-D-glucosamin và được nối với nhau bởi liên kết β-(1-4)glycozit. Cấu trúc phân tử của chitin gần giống xenlulo, trong đó nhóm hyđroxyl
của xenlulo được thay bằng nhóm axetamino (hình 1.1) [66]. Chitin không tan
trong nước và trong các dung môi hữu cơ. Chitin chỉ bị đứt mạch trong axit và
kiềm đặc. Độ trơ về mặt hóa học đã hạn chế tiềm năng ứng dụng của chitin.

Hình 1.1. Cấu trúc hoá học của chitin
Chitosan (CS) là dẫn xuất của chitin, là sản phẩm của quá trình đề axetyl hóa
chitin trong môi trường kiềm ở nhiệt độ cao hoặc sử dụng enzym (hình 1.2).

NaOH

Enzym

Hình 1.2. Sơ đồ chuyển hóa chitin thành chitosan
14


Độ đề axetyl hóa (DD): là tỷ lệ phần trăm nhóm -NH2 thay thế nhóm NHCOCH3 trong phân tử chitin. Theo quy ước, nếu phân tử có DD ≥ 50% gọi là
chitosan, DD < 50% gọi là chitin [48].
Trong cấu trúc của phân tử CS có các nhóm chức năng dễ dàng biến tính hóa
học. Các nhóm chức -OH bậc 1, -OH bậc 2 và các nhóm –NH2 là các trung tâm
hoạt động hóa học của CS. Trên nguyên tử O, N của các nhóm này còn đôi điện tử
chưa phân chia, được xem như những tác nhân nucleophin và có thể tham gia vào
một số phản ứng chuyển hóa [53].

Hình 1.3. Các khả năng biến tính chitosan

74]. CS không chỉ cải thiện độ phân tán của các thuốc khó tan trong nước mà còn
ảnh hưởng đáng kể đến chuyển hóa chất béo trong cơ thể. Các gel được hình thành
thông qua tương tác của CS với các tác nhân polyanion như polyphosphat, sulfat,
glutaraldehit có ứng dụng rộng rãi trong các chế phẩm điều trị ngoài da dạng gel
(kem trị sẹo) [74], các chế phẩm uống và chế phẩm yêu cầu độ tiệt trùng cao (các
loại thuốc tiêm) [109].
Trong công nghiệp bào chế dược phẩm, CS đã được nghiên cứu làm tá dược
dính, tá dược rã, tá dược độn trong bào chế viên nang, chất mang thuốc có khả
năng nhả chậm...[74]. Đồng thời CS cũng được nghiên cứu như là một hoạt chất có
tác dụng giảm đau, hạ cholesterol, chữa bệnh dạ dày, chống động tụ máu, tăng sức
đề kháng, chữa xương khớp [31].
Ngoài ra, CS được dùng làm vật liệu sinh học mới thay thế trong y sinh học
và dược phẩm. CS được ứng dụng làm chỉ khâu tự tan trong phẫu thuật, thay thế
16


các loại chỉ truyền thống, do CS có đặc tính bền với dịch mật, dịch tụy và nước
tiểu [49]. Trong các trường hợp bị bỏng, CS có thể tạo màng xốp hút nước mạnh,
và giúp cho oxy thấm qua màng vào mô tổn thương rất dễ dàng, tạo điều kiện bình
phục nhanh [31]. Trong điều trị vết thương, CS có tác dụng cầm máu, đẩy nhanh
quá trình phát triển các tế bào ở vùng mô bị thương, tăng cường hoạt động của
enzym chitinase và lysozym, giúp mau lành vết thương và giảm nhiễm trùng [49].
Gần đây, CS cũng được nghiên cứu dạng ống nhằm mục đích tái sinh dây thần
kinh [38].
CS là vật liệu có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực y sinh học. Dựa vào
các đặc tính quý của một polyme thiên nhiên sẵn có và rẻ tiền, vật liệu CS cần
được khai thác sâu hơn nữa, điều này không những có ý nghĩa khoa học mà còn có
ý nghĩa kinh tế vô cùng to lớn. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo chitin, CS từ
nguồn phế thải ngành chế biến tôm, thuỷ hải sản, phát triển các ứng dụng thực tế
đã và đang được quan tâm mạnh mẽ. Nhóm tác giả Trần Thị Luyến, Trường Đại

R1=R2=OCH3
R1=OCH3 ; R2=H
R1=R2=H

: Curcumin
: Demethoxycurcumin
: Bis-demethoxycurcumin

Hình 1.4. Công thức hóa học của curcumin
Về cấu trúc hoá học, curcuminoit chứa các nối đôi liên hợp có khả năng hấp
thụ ánh sáng nên có màu vàng, đồng thời Cur cũng có khả năng phát quang tương
đối mạnh. Cur đã được chứng minh có nhiều tính chất sinh học quý như: tác dụng
kháng viêm, giảm đau, ức chế các gốc oxy hóa, hỗ trợ điều trị ung thư [71]. Khả
năng hỗ trợ điều trị ung thư của Cur thực hiện qua các cơ chế đặc biệt như: cơ chế
diệt tế bào ung thư theo chương trình, cơ chế ức chế tế bào ung thư [91]. Chính vì
vậy, Cur ngày càng thu hút mạnh mẽ sự quan tâm các nhà nghiên cứu, trong cả
lĩnh vực hợp chất thiên nhiên (chiết tách) và lĩnh vực hóa dược (bào chế), nhằm
tăng sinh khả dụng của Cur.
Tuy nhiên, Cur có nhược điểm là kém tan trong nước, chỉ tan trong các dung
môi hữu cơ. Mặt khác, quá trình bán tổng hợp để tạo ra các dẫn xuất Cur tan trong
nước có thể làm mất hoạt tính của Cur [91]. Để khắc phục nhược điểm này, các
nhà khoa học tập trung nghiên cứu tăng khả năng phân tán của Cur trong nước,
bằng cách mang Cur trên các hệ vật liệu kích thước nano [17, 95] Theo hướng
nghiên cứu này, nanocompozit trên cơ sở CS là vật liệu đặc biệt hấp dẫn.
1.1.5. Nanocompozit chitosan/nano kim loại
Nanocompozit polyme/kim loại là nhóm vật liệu có nhiều tính năng vượt trội
nhờ có cấu trúc đặc biệt, trong đó polyme đóng vai trò như chất bao bọc bên ngoài
và ổn định hạt kim loại có kích thước nano [6].
Có hai phương pháp chế tạo nanocompozit polyme/kim loại: in-situ và exsitu:
- Phương pháp in-situ: Các ion kim loại được phân tán vào trong mạng lưới


Nhận diện hình dạng

Hình 1.5. Ứng dụng nanocompozit polyme/kim loại trong y sinh
CS với nhiều tính chất quý báu được quan tâm nghiên cứu chế tạo
nanocompozit với các nano kim loại (CS/NPs) rất rộng rãi, mục đích để nâng cao
khả năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.

19


Nanocompozit CS/NPs có thể chế tạo theo 2 phương pháp [35, 40, 42].
- Phương pháp in-situ:
Cũng như các loại nanocompozit polyme/kim loại khác, CS/NPs cũng có thể
chế tạo theo phương pháp in-situ. Haizhen Huanga và cộng sự [40] đã tiến hành
chế tạo CS/NPs theo hai bước:
+ Bước 1: Phân tán các ion kim loại trong dung dịch CS bằng cách khuấy
trộn hoặc siêu âm trong môi trường axit loãng, ion kim loại sẽ tạo phức với các
nhóm -NH2 của CS (hình 1.7)..

Hình 1.6. Quá trình tạo phức của ion kim loại với chitosan
+ Bước 2: Khử các ion kim loại bằng các tác nhân hóa học (NaBH4, axit
ascorbic...), gia nhiệt hoặc bức xạ, để hình thành hạt nano kim loại phân tán tán
trong mạng lưới CS.
- Phương pháp ex-situ:
Gogoin và cộng sự đã chế tạo nanocompozit CS và nano Ag theo hai bước
[35]:
+ Bước 1: Các hạt nano Ag được chế tạo theo phương pháp khử hóa học
AgNO3 bằng axit ascorbic.
20