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

BÌNH ĐỊNH - 2017

NGUYỄN THỊ NGOAN


VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

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

BÌNH ĐỊNH - 2017


Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án



1.3.
AgNPs
Bs
Ca
CS
CS/NPs
CS/AgNPs1
CS/AgNPs2

CS/AgNPs3

CS/MNPs

CS/MNPs1

CS/MNPs2

CS/MNP3

CS-FITC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1.4. Nano bạc
1.5. Bacillus subtilis Candida albicans Chitosan
1.6. Nanocompozit chứa nano kim loại trên nền chitosan
Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp khử NaBH

EDX

trường
1.25. Nanocompozit nano sắt từ trên nền chitosan gắn chất phát
quang

FESEM

1.26. Fluorescein isothiocyanat

FMNPs

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

FITC
IC50


1.1. L
a
1.3. M
NP
1.5. M
S

1.7. P
a
1.9. S
a
1.11. S


1.12.

Salmonella enteric

1.14.

Hiển vi điện tử quét

1.16.

Hiển vi điện tử truyền qua

1.18.

Sắc ký lớp mỏng

1.20.

Nhiễu xạ tia X

1.22.
thấy
1.24.

Hấp thụ ánh sáng tử ngoại vùng nhìn
Từ kế mẫu rung


1.29.

nanocompozit trong các lĩnh vực như xây dựng, điện tử, gia dụng... do tính chất cơ lý nổi
trội của vật liệu nanocompozit như tăng độ bền, chịu nhiệt, giảm độ thấm khí. Ngày nay,
vật liệu nanocompozit đã được quan tâm hơn cho các ứng dụng sinh học dựa vào khả
năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học của một số loại polyme sinh học kết hợp
với các tính năng đặc biệt như tính chất từ, tính chất quang của các chất gia cường nano.
1.38.

Trong số các polyme sinh học, chitosan đã và đang thu hút sự quan tâm của

các nhà nghiên cứu. [5, 9, 70, 86]. Chitosan là sản phẩm đề axetyl hóa chitin, có nguồn
gốc 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.
1.39.

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].
1.40.

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.
1.41.

Chính vì vậy mục tiêu của luận án này là chế tạo vật liệu nanocompozit đa


1.45. Việt Nam có hơn 3260 km chiều dài bờ biển với lãnh hải rộng 12 hải lý, hơn
1 triệu km2 vùng biển đặc quyền kinh tế, 3600 hòn đảo lớn nhỏ và gần 7000 loài động vật
biển có sản lượng khai thác ước tính 1,5 triệu tấn/năm là điều kiện rất thuận lợi cho việc
khai thác đánh bắt hải sản [1]. Thêm vào đó, chúng ta còn có 2860 sông ngòi với tổng
diện tích khoảng 650000 ha với tổng lượng dòng chảy gần 867 tỷ m 3/năm, 112 vùng cửa
sông, 450000 ha ao hồ, 90000 ha đầm lầy và gần 1 triệu ha đất ngập mặn là những điều
kiện thiên nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển ngành nuôi trồng, đánh bắt và chế biến
thủy - hải sản. Cùng với sự phát triển của ngành chế biến thủy hải sản, lượng chất thải
cũng ngày càng lớn, ước tính lượng chất thải rắn lên tới 0,04-0,05 tấn/tấn sản phẩm, là
nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào và rẻ tiền. Tuy vậy, chúng mới được sử dụng khoảng
70% để làm thức ăn gia súc, phân bón, phần còn lại không kịp tiêu thụ, bị phân hủy thối
rữa gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Chất thải rắn ngành chế biến thủy hải sảnđang
là mối quan tâm đặc biệt của xã hội, với tổng lượng chất thải rắn lên đến 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

1.46. Chitin có công thức phân tử dạng đơn giản là (C 8H13O5N)n, được tạo thành
từ các phân tử N-axetyl-D-glucosamin và được nối với nhau bởi liên kết P-(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.



1.55. Phản ứng vào cả hai nhóm chức hydroxyl và amin
-

Phản ứng thế với axit monocloaxetic

-

Phản ứng thế với ankyl halogen
1.56. Để các phản ứng này xảy ra ở một trong hai nhóm chức (nhóm -NH 2 hoặc

nhóm -OH) phải tiến hành khóa một nhóm, ví dụ khóa nhóm -NH 2 bằng cách tạo phức với
các kim loại chuyển tiếp.

1.1.3.

Ứng dụng của chitosan trong lĩnh vực y sinh

1.57. Tương tự xenlulo, CS là polyme thiên nhiên có khả năng tương thích sinh
học và phân hủy sinh học. Trong công thức phân tử của CS chứa các nhóm chức năng linh
động với ưu điểm bán tổng hợp đơn giản và nguồn nguyên liệu dồi dào, do đó CS được
lựa chọn thay thế tinh bột và xenlulo trong nhiều ứng dụng y sinh học, tạo ra các dẫn xuất
mang thuốc nhả chậm hoặc chất nền tương thích sinh học với cơ thể. Một số lượng lớn các
công trình nghiên cứu nhận định rằng CS có tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghiệp
dược nhờ độ tương thích sinh học cao, tỷ lệ điện tích cao, không độc và không gây ra các
phản ứng miễn dịch [31, 34, 49, 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].


1.1.4.

Curcumin

1.62. Curcumin (Cur) là hoạt chất được chiết suất từ củ nghệ vàng (Curcuma
longa), Cur là các dẫn xuất của feruloylmetan có màu vàng cam là hỗn hợp gồm 3 chất
chính: curcumin, demethoxycurcumin và bis-demethoxycurcumin thường gọi chung là các
curcuminoit [71].


1.27.

1.63.
1.64. R1=R2=OCH3 :Curcumin
1.65.R1=OCH3 ; R2=H : Demethoxycurcumin
R1=R2=H
: Bisdemethoxycurcumin
1.66. Hình 1.4. Công thức hóa học của curcumin
1.67.

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.


1.73. dung dịch chứa các monome, sau đó tiến hành trùng hợp monome, để tạo
thành polyme chứa các hạt nano kim loại... Phương pháp này cho sản phẩm
nanocompozit có cấu trúc phân tán đồng đều.
1.74.

Phương pháp ex-situ: Trước tiên nano kim loại được chế tạo và thụ động hữu

cơ nhằm tránh sự kết tụ do năng lượng bề mặt lớn. Sau đó các hạt nano kim loại được phân
tán vào dung dịch polyme trong điều kiện khuấy trộn cơ học hoặc siêu âm. Phương pháp
này khó thu được vật liệu có độ phân tán đồng đều.
1.75.

Hiện nay, phương pháp in-situ được sử dụng phổ biến hơn do khả năng phân

tán nano kim loại trong polyme tốt hơn, chất lượng nanocompozit ổn định hơn.
1.76.

Nanocompozit polyme/kim loại và hệ lai vô cơ-hữu cơ nói chung có nhiều

ưu điểm đặc biệt, kết hợp đặc tính của các vật liệu thành phần. Đây là vật liệu có triển vọng
phát triển mạnh mẽ, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong công nghệ y sinh
dược học, nanocompozit polyme/kim loại ứng dụng trong hệ thống dẫn truyền thuốc, các
loại cảm biến sinh học, làm giàu và phân tách trong thử nghiệm miễn dịch (hình 1.6 ) [4,
83, 87].
1.28. Tác nhân đánh dấu

1.29.

1.77.

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.
1.85.

- Phương pháp ex-situ:

1.86.

Gogoin và cộng sự đã chế tạo nanocompozit CS và nano Ag theo hai bước

1.87. [35]:
1.88.

+ Bước 1: Các hạt nano Ag được chế tạo theo phương pháp khử hóa học

AgNO3 bằng axit ascorbic.


1.89.

+ Bước 2: Các hạt nano Ag được phân tán vào mạng lưới polyme CS trong

điều kiện khuấy trộn mạnh, nhằm đạt được độ phân tán cao nhất.
1.2.

Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan

1.2.1.

Hạt nano bạc

yếu tố như hình dạng, kích thước của hạt AgNPs và môi truờng xung quanh. Ngoài ra,
nồng độ hạt AgNPs cũng ảnh huởng đến tính chất quang. Nếu nồng độ loãng thì có thể coi
như gần đúng hạt tự do, nếu nồng độ cao thì phải tính đến ảnh huởng của quá trình tương
tác giữa các hạt.
1.94. Tính chất điện
1.95. Ag kim loại có tính dẫn điện rất tốt, hay điện trở rất nhỏ, do có mật độ điện
tử tự do cao. Đối với vật liệu khối, các lý luận về độ dẫn dựa trên cấu trúc vùng năng luợng
của chất rắn. Điện trở của kim loại đến từ sự tán xạ của điện tử lên các sai hỏng trong mạng
tinh thể và tán xạ với dao động nhiệt của nút mạng (phonon). Các điện tử chuyển động
trong kim loại (dòng điện I) duới tác dụng của điện truờng (U) có liên hệ với nhau thông
qua định luật Ohm: U = IR, trong đó R là điện trở của kim loại. Định luật Ohm cho thấy
quan hệ I - U là một đuờng tuyến tính..
1.96. Khi kích thuớc của vật liệu giảm dần, hiệu ứng giam cầm điện tử làm rời rạc
hóa cấu trúc vùng năng luợng. Hệ quả của quá trình luợng tử hóa này đối với hạt AgNPs là
tương quan I - U không còn tuyến tính nữa, mà xuất hiện một hiệu ứng gọi là hiệu ứng
chắn Coulomb (Coulomb blockade), làm cho đuờng I - U bị nhảy bậc với giá trị mỗi bậc
sai khác nhau một luợng e/2C cho U và e/RC cho I, với e là điện tích của điện tử, C và R là
điện dung và điện trở khoảng nối hạt AgNPs với điện cực.
1.97. Tính kháng khuẩn của nano bạc
1.98. AgNPs được chứng minh có tính kháng khuẩn theo hai cơ chế chính [68]:
1.99. - AgNPs liên kết các cầu nối disulfit (S-S) trong cấu trúc enzym của các vi
khuẩn, vi nấm. Các cầu nối này rất quan trọng vì nó đóng vai trò như một công tắc đóng,
mở thuận nghịch để tạo ra protein khi tế bào vi khuẩn gặp các phản ứng oxy hóa. Hạt
AgNPs vô hiệu hóa enzym này nên có tác dụng diệt khuẩn, diệt nấm.


1.100. - Phá vỡ màng tế bào vi khuẩn bằng các phản ứng oxy hóa: AgNPs giúp tạo
ra oxy hoạt tính trong không khí hoặc trong nuớc. Những oxy hoạt tính này có khả năng
phá vỡ màng tế bào hoặc thành tế bào của vi khuẩn.
1.32.


1.104.

- Hiệu ứng làm nóng plasmon: Chiếu tia laze vào AgNPs không chỉ gây ra sự

hấp thụ photon mà còn chuyển nhiệt từ hạt nano ra xung quanh gây tăng nhiệt cục bộ. Lý
thuyết về quá trình mở các lớp polyelectronic bọc các AgNPs kích thước > 20nm đã được
chứng minh trên các tế bào sống. Quá trình tăng thân nhiệt cục bộ sử dụng tia laze để mở
các lớp polyelectronic phụ thuộc vào kích thước hạt AgNPs [50].
1.105.

Dựa vào khả năng kháng khuẩn và kháng nấm tốt, hạt AgNPs có tác dụng

diệt vi khuẩn trên phổ rộng, đặc biệt hiệu quả trong việc giải quyết các tác dụng phụ
thường gặp khi điều trị ung thư.
1.2.

L2. Các phương pháp chế tạo

1.106. Có nhiều phương pháp để chế tạo AgNPs: ăn mòn laze, khử hóa học, khử vật
lý, khử sinh học...trong đó phương pháp khử hóa học được sử dụng phổ biến nhất. Phương
pháp này dùng các tác nhân hóa học để khử các ion Ag+ thành Ag, tác nhân khử thường
được sử dụng là: focmandehit, natri xitrat, axit ascorbic, glucozơ, NaBHt...
1.107. Để AgNPs phân tán tốt trong dung môi, tránh kết tụ, AgNPs được phân tán
trong các chất hữu cơ, các polyme. Một số polyme hay được sử dụng là: pyrolidon (PVP)
[23, 101], polyvinyl alcol (PVA) [107], polyanilin (PANi) [22], polyetylen glycol (PEG)
[23] .Ngoài tác dụng làm pha phân tán, ổn định AgNPs, các polyme còn có tác dụng chức
năng hóa, tăng độ tương thích sinh học của nano bạc cho các ứng dụng trong y sinh.
1.108. Ở Việt Nam, AgNPs đã được nghiên cứu khá rộng rãi.
1.109. Nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Hoài Châu, Viện Công nghệ môi

Haizhen Huanga và cộng sự [40] và đã được nhóm tác giả S.Govindan [121] chứng minh
qua phân tích phổ FITR. Mặt khác, khi tiến hành khử Ag+ trong mạng lưới CS có mặt của
polyetylen glycol Mansor Bin Ahmad [67] đã đưa ra giả thiết liên kết giữa CS với AgNPs
là do hình thành phức của các nhóm -OH với Ag được trình bày trên Hình 1.9:
1.36.

1.114.

1.37. r
r
1.38. Hình 1.9. Cơ chế liên kết giữa AgNPs với CS