Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano từ polyme với Ag, Fe3O4 và đánh giá khả năng ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI





NGUYỄN NGỌC THỊNH





NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ
HỢP CẤU TRÚC NANO TỪ POLYME VỚI Ag, Fe
3
O
4
VÀ
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG







LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội – 2015



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



NGUYỄN NGỌC THỊNH




NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ
HỢP CẤU TRÚC NANO TỪ POLYME VỚI Ag, Fe
3
O
4
VÀ

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG


Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62440119



LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. TRẦN ĐẠI LÂM
2. PGS. TS. VŨ ĐÌNH HOÀNG






Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN



Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS. TS. Trần Đại Lâm và PGS. TS. Vũ Đình Hoàng. Các số liệu,

kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất cứ công trình nào khác.


Tập thể hướng dẫn
Tác giả luận án




PGS.TS Trần Đại Lâm







PGS. TS. Vũ Đình Hoàng










Nguyễn Ngọc Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới
PGS.TS. Trần Đại Lâm và PGS.TS. Vũ Đình Hoàng, những người thầy đã nhiệt
tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu khoa học, hết lòng giúp
đỡ tôi về vật chất và tinh thần trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh để tôi hoàn
thành luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo sau Đại
học, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã đào tạo và tạo điều kiện về thời gian công
việc trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại Bộ môn Hóa Vô cơ – Đại cương,
Bộ môn Hóa lý, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã đào tạo và tạo điều kiện về thời
gian công việc trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án này.
Xin chân thành cám ơn PGS.TS. Trần Thị Như Mai, Trường Đại học Quốc gia
Hà Nội; TS. Vũ Thị Thu, Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội; TS. Trần
Vĩnh Hoàng, NCS. Bùi Đình Long,ThS. Nguyễn Lê Huy, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội; ThS. Nguyễn Hải Bình, Viện Khoa học Vật liệu; PGS. Phạm Gia Điền, NCS.
Nguyễn Thị Ngoan, ThS. Bá Thị Châm, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm khoa học và
Công nghệ Việt Nam; GS. G. Martra, M.G. Faga, Trường Đại học Tổng hợp Turin
(Italia) vì sự hỗ trợ nhiệt tình và những đóng góp chuyên môn quý báu.
Xin chân thành cám ơn người thân và bạn bè đã luôn ở bên, giúp đỡ và động
viên tôi trong suốt thời gian làm luận án.
Cuối cùng xin dành những lời cảm ơn sâu nặng nhất đến những người thân
thương trong gia đình tôi: Bố, mẹ, vợ, con đã giành cho tôi những tình cảm, động
viên, chia sẻ cho tôi rất nhiều trong những năm tháng làm việc vất vả này.

Nghiên cứu sinh





Nguyễn Ngọc Thịnh



Mục lục

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT i
DANH MỤC CÁC BẢNG iii
DANH MỤC HÌNH VẼ iv
MỞ ĐẦU 1
1. TỔNG QUAN 6
1.1. Vật liệu nano 6
1.1.1. Giới thiệu 6
1.1.2. Phân loại vật liệu nano 6
1.1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 7
1.2. Chitosan 8
1.2.1. Giới thiệu 8
1.2.2. Một số tính chất của chitosan 8
1.2.3. Chế tạo vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan
11
1.2.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vật liệu nano chitosan và vật

liệu cấu trúc nano trên nền chitosan 15
1.3. Hạt nano sắt từ (Fe
3
O
4
) 17
1.3.1. Một số tính chất của hạt sắt từ 17
1.3.2. Chế tạo vật liệu nano sắt từ và vật liệu tổ hợp cấu trúc nano có chứa hạt
nano sắt từ 20
1.4. Hệ dẫn truyền thuốc 23
1.4.1. Các hệ dẫn thuốc trên cơ sở vật liệu nano 23
1.4.2. Curcumin 25
1.5. Cảm biến sinh học 27
1.5.1. Giới thiệu 27
1.5.2. Ứng dụng polyme dẫn làm vật liệu điện cực 29
1.5.3. Ứng dụng vật liệu tổ hợp hữu cơ – vô cơ cấu trúc nano trong chế tạo cảm
biến sinh học 34
1.5.4. Cảm biến glucose (GOx sensors) 35
1.5.5. Cảm biến cholesterol (ChOx sensors) 36
1.6. Vật liệu nano ứng dụng trong hấp phụ kim loại nặng 37
1.6.1. Giới thiệu 37


1.6.2. Ứng dụng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano nền chitosan trong hấp phụ kim
loại nặng 38
2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40
2.1. Nguyên liệu và hóa chất 40
2.2. Kĩ thuật thực nghiệm 40
2.2.1. Tổng hợp vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền chitosan
40

2.2.2. Tổng hợp vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme dẫn ứng dụng làm
vật liệu cảm biến sinh học 41
2.3. Phương pháp khảo sát tính chất vật liệu 44
2.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 44
2.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 44
2.3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 45
2.3.4. Phương pháp phổ hấp thụ UV-Vis 45
2.3.5. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) 45
2.3.6. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 45
2.3.7. Các phương pháp nghiên cứu điện hóa 46
3. TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO TRÊN
NỀN CHITOSAN 48
3.1. Vật liệu nano gossypol chitosan (GPCS) 48
3.1.1. Cấu trúc của vật liệu nano GPCS 48
3.1.2. Hình thái của vật liệu GPCS 50
3.2. Vật liệu nano bạc/chitosan (Ag/CS) 51
3.2.1. Cấu trúc của vật liệu nano Ag/CS 51
3.2.2. Hình thái của nano Ag/CS 53
3.2.3. Khảo sát động học của phản ứng tổng hợp nano Ag/CS 55
3.3. Vật liệu nano oxit sắt từ/chitosan (Fe
3
O
4
/CS) 61
3.3.1. Cấu trúc của vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS 61
3.3.2. Hình thái của vật liệu nano Fe

3
O
4
/CS 64
3.3.3. Tính chất từ của vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS 65
4. TỔNG HỢP, ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU TỔ HỢP CẤU TRÚC NANO TRÊN
NỀN POLYME DẪN 67
4.1. Vật liệu Fe
3
O
4
/polypyrrol (Fe
3
O
4
/PPy) 67
4.2. Vật liệu nano Fe
3
O
4
/polyanilin/poly(styrene-co-acrylic acid) (Fe
3
O
4
/
PANi/PSA) 69

5. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TỔ
HỢP CẤU TRÚC NANO TRÊN NỀN CHITOSAN, POLYANILIN VÀ
POLYPYRROL 72
5.1. Vật liệu nano GPCS và Fe
3
O
4
/CS trong dẫn truyền curcumin 72
5.1.1. Vật liệu nano GPCS trong dẫn truyền curcumin 72
5.1.2. Vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS trong dẫn truyền curcumin 76
5.2. Vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS trong hấp phụ kim loại nặng 79
5.2.1. Vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS trong hấp phụ Ni(II) và Pb(II) 81
5.2.2. Vật liệu nano Fe
3
O
4

/CS trong hấp phụ Cr(VI) 83
5.3. Vật liệu nano Ag/CS trong kháng khuẩn và ức chế tế bào ung thư 90
5.4. Vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme dẫn trong chế tạo cảm biến sinh
học điện hóa 94
5.4.1. Vật liệu Fe
3
O
4
/PPy ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa xác định
glucose 96
5.4.2. Vật liệu Fe
3
O
4
/PANi/PSA ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học điện hóa
xác định cholesterol 99
KẾT LUẬN 109
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114


i


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AA
Axit ascorbic
AC

Acetaminophen
Ag/CS
Ag/chitosan
AgNPs
Hạt nano bạc
AuNPs
Hạt nano vàng
ChOx
Cholesterol oxidase
CS
chitosan
Cur
Curcumin
CV
Phương pháp thế vòng
DLS
Tán xạ laser
FDA
Cục dược phẩm Hoa kỳ
FESEM
Hiển vi điện tử phát xạ trường
Fe
3
O
4
/CS
Fe
3
O
4

/chitosan
EDC
N-ethyl-N’-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
hydrochloride
GP
Gossypol
GOx
Glucose oxidase
IR
Phổ hồng ngoại
IC50
Nồng độ ức chế 50%
PANi
Polyanilin
PBS
Dung dịch muối đệm phosphat
PPy
Polypyrrol
PVA
Poly vinyl alcol
poly(ε-caprolacton)
PECL
MIC
Nồng độ ức chế tối thiểu
MBC
Nồng độ diệt khuẩn tối thiểu
NCMCS
N-cacboxymetyl chitosan
ii

NHS
N-hydroxysuccinimide
OCMCS
O-cacboxymetyl chitosan
SEM
Kính hiển vi điện tử quét
SWV
Phương pháp Vôn-Ampe sóng vuông
TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua
UA
Axit uric
UV vis
Phổ hấp thụ electron
XRD
Giản đồ nhiễu xạ tia X

iii





DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1. Một số phương pháp điều chế hạt nano chitosan làm chất dẫn các loại
thuốc, protein khác nhau [47, 50, 56, 63, 93]. 12
Bảng 3-1. Các vị trí hấp thụ chính của các chất trong phản ứng 49
Bảng 3-2. Kích thước của hạt nano Ag ở các điều kiện phản ứng khác nhau. 55
Bảng 3-3. Thời gian và độ hấp phụ của phản ứng ở điều kiện nhiệt độ 80
o
C, [Ag
+
] =
3,33.10
-3
mmol/l, [CS] = 0,33 mg/l 57

Bảng 3-4. Giá trị tốc độ phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau 60
Bảng 3-5. Các vị trí hấp thụ chính của mẫu chitosan, Fe
3
O
4
, Fe
3
O
4
/CS 62
Bảng 5-1. Các thông số của quá trình hấp phụ Ni(II) và Pb(II) bằng Fe
3
O
4
/CS 83
Bảng 5-2.Các thông số của phương trình đẳng nhiệt Langmuir. 87
Bảng 5-3. Thông số phương trình động học bậc một. 88
Bảng 5-4. Thông số phương trình động học bậc hai 89
Bảng 5-5. So sánh khả năng hấp phụ Cr(VI) với một số vật liệu hấp phụ [26, 42] 90
Bảng 5-6. Hoạt tính kháng khuẩn của nano Ag/CS 92
Bảng 5-7. Giá trị IC
50
xác định đối với các dòng tế bào HepG2, Lu, MCF-7 và KB
93
Bảng 5-8. Quan hệ giữa tốc độ quét và cường độ dòng khử, oxy hóa 101
Bảng 5-9. Cường độ dòng khi thêm cholesterol vào hệ điện hóa 104
Bảng 5-10. Độ nhạy của cảm biến 106

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc chitin – chitosan 9
Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể Fe
3
O
4
17
Hình 1.3 Đường cong từ hoá của vật liệu từ phụ thuộc vào kích thước [11] 19
Hình 1.4 Sơ đồ biến tính chitosan để có các dẫn xuất khác nhau [56] 25
Hình 1.5 Sơ đồ tổng hợp NOCMCS [59] 25
Hình 1.6 Cấu trúc của curcumin 26
Hình 1.7 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học 28
Hình 1.8 Một số phần tử được sử dụng làm đầu thu sinh học [24] 29
Hình 1.9 Cơ chế hình thành PPy [52] 31
Hình 1.10 Các dạng khác nhau của polyanilin phụ thuộc vào trạng thái oxy hóa [52]
32
Hình 1.11 Au NPs và Fe
3
O
4
NPs được chức năng hóa bề mặt [52, 57] 35
Hình 1.12 Cấu trúc vật liệu tổ hợp CS/clay (a) và sự tạo phức giữa Cr(VI) với CS 39
Hình 2.1 Cấu tạo của điện cực (a) và hình ảnh thực tế của điện cực (b) [70] 42
Hình 2.2 Sơ đồ quá trình cố định enzym theo phương pháp liên kết chéo sử

dụng tác nhân glutaraldehyde 44
Hình 2.3 Phương pháp quét thế tuyến tính đa chu kỳ 46
Hình 2.4 Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong phương pháp CV 46
Hình 3.1 Phản ứng giữa chitosan và gossypol tạo thành GPCS 48
Hình 3.2 Phổ IR của chitosan (a), gossypol(b) và GPCS(c) 49
Hình 3.3 Các dạng đồng phân tautome của gossypol 50
Hình 3.4 Ảnh FE-SEM của vật liệu GPCS 51
Hình 3.5 Phổ UV–vis của hạt nano ở các điều kiện phản ứng khác nhau: 52
Hình 3.6 Phổ UV-vis của phản ứng theo thời gian ( nhiệt độ 80
o
C, [Ag
+
] = 3,33.10
3

mmol/l, [CS] = 0,33 mg/l) 53
Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano Ag/CS 53
Hình 3.8 Ảnh TEM của các mẫu 54
Hình 3.9 Cấu trúc lõi – vỏ của vật liệu nano Ag/CS 55
Hình 3.10 Quan hệ giữa
ln
t
AA
A







và thời gian t của phản ứng 58
Hình 3.11 Phổ UV-vis của phản ứng khi thay đổi nhiệt độ phản ứng (t= 6 h, [Ag
+
]=
3,33.10
-3
mmol/l, [CS]= 0,33 mg/l) 59
Hình 3.12 Đồ thị tương quan giữa ln A và 1/T 59
Hình 3.13 Cơ chế tạo thành vật liệu Ag/CS 61
Hình 3.14 Ảnh nhiễu xạ tia X của vật liệu nano Fe
3
O
4
tinh khiết và vật liệu nano
Fe
3
O
4
/CS 62
v

Hình 3.15 Phổ IR của chitosan, Fe
3
O
4
và Fe
3
O
4
/CS 63

Hình 3.16 Cơ chế hình thành Fe
3
O
4
/CS [35] 64
Hình 3.17 Ảnh TEM của Fe
3
O
4
(a) và Fe
3
O
4
/CS (b,c) 65
Hình 3.18 Đường cong từ hóa của Fe
3
O
4
và Fe
3
O
4
/CS 65
Hình 4.1 Trùng hợp điện hóa màng Fe
3
O
4
/PPy theo phương pháp CV tại thế từ -0,2V
tới +0,9V, tốc độ 50mV/s, trong 20 vòng. Hình chèn bên trong là so sánh phổ trùng
hợp điện hóa màng PPy và Fe

3
O
4
/PPy tại vòng thứ 20 67
Hình 4.2 Phổ FT-IR của màng PPy và Fe
3
O
4
/PPy 68
Hình 4.3 Ảnh SEM (a) hạt nano Fe
3
O
4
; (b) màng PPy và (c) màng Fe
3
O
4
/PPy trùng
hợp bằng phương pháp điện hóa 69
Hình 4.4 Ảnh SEM và TEM của các hạt nano Fe
3
O
4
/PSA (a,b) và màng Pt/PANi (c)
70
Hình 4.5 Phổ IR của màng PANi(a) và màng PANi/Fe
3
O
4
/PSA-ChOx (b) 70

Hình 5.1 Phổ IR của, curcumin, GPCS và Cur/GPCS 73
Hình 5.2 Ảnh SEM của hạt GPCS trước (a) và sau khi tải curcumin (b) 74
Hình 5.3 Phổ huỳnh quang của curcumin và Cur/GPCS 74
Hình 5.4 Các dạng tautome của curcumin 75
Hình 5.5 Phổ Uv-Vis và đường chuẩn của curcumin 75
Hình 5.6 Quá trình nhả curcumin từ hạt nano Cur/GPCS 76
Hình 5.7 Quy trình chế tạo phức hệ Cur/Fe
3
O
4
/CS 77
Hình 5.8 Huyền phù sắt từ (a), Fe
3
O
4
/CS (b) và cur/Fe
3
O
4
/CS (c) 77
Hình 5.9 Phổ DSL của Fe
3
O
4
/CS (a) và Cur/ Fe
3
O
4
/CS (b) 78
Hình 5.10 Ảnh FE-SEM của vật liệu Fe

3
O
4
/CS (a) và Cur/ Fe
3
O
4
/CS (b) 78
Hình 5.11 Curcumin phát quang dưới ánh sáng kích thích (a) và sự phát quang của
Cur/Fe
3
O
4
/CS (b) 79
Hình 5.12 Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Ni(II) 82
Hình 5.13 Đường đẳng nhiệt Langmuir hấp phụ Pb(II) 83
Hình 5.14 Ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ Cr(VI) của vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS
84
Hình 5.15 Tỉ lệ các dạng tồn tại của Cr(VI) trong dung dịch [26] 85
Hình 5.16 Mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ và thời gian 86
Hình 5.17 Ảnh hưởng của nồng độ Cr(VI) ban đầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
86
Hình 5.18 Đồ thị đẳng nhiệt Langmuir đối với sự hấp phụ Cr(VI) 87
Hình 5.19 Đồ thị động học hấp phụ bậc một 88
Hình 5.20 Đồ thị động học hấp phụ bậc hai 89
Hình 5.21 Ảnh hiển vi thể hiện biến đổi hình thái tế bào của các dòng tế bào HepG2,

Lu, MCF-7 và KB sau 72 giờ xử lý có nano Ag/CS tại các nồng độ khác nhau: 100

g/ml (a), 25

g/ml (b) và 6.25

g/ml (c) và không có nano Ag/CS (d) 94
vi

Hình 5.22 Phổ CV của điện cực Pt/Fe
3
O
4
/PPy-GOx trong dung dịch PBS khi không
có glucose (a) và khi có 10mM glucose (b); 15mM glucose (c) 96
Hình 5.23 Đường đặc tuyến đáp ứng dòng của cảm biến Pt/Fe
3
O
4
/PPy-GOx và
Pt/PPy/GOx tại E=+0,7V (vs. Ag/AgCl) khi những lượng glucose được thêm vào hệ
điện hóa 97
Hình 5.24 Đường đặc tuyến đáp ứng dòng của cảm biến Pt/Fe
3
O
4
/PPy-GOx tại
E=+0,7V (vs. Ag/AgCl) khi những lượng glucose được thêm vào hệ điện hóa 98
Hình 5.25 Đường chuẩn của cảm biến Pt/Fe
3

O
4
/Ppy-GOx 99
Hình 5.26 Ảnh SEM của màng PANi/Fe
3
O
4
/PSA–ChOx 100
Hình 5.27 Mô hình gắn Fe
3
O
4
/PSA-ChOx vào điện cực Pt/PANi [70] 100
Hình 5.28 Phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe
3
O
4
/PSA-ChOx ở các tốc độ quét khác
nhau (từ a tới j tương ứng với 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, và 100 mV/s) trong
dung dịch PBS 101
Hình 5.29 Quan hệ giữa tốc độ quét và cường độ dòng khử, oxy hóa 102
Hình 5.30 Phổ CV của điện cực Pt/PANi/Fe
3
O
4
/PSA-ChOx trong dung dịch PBS khi
không có cholesterol (a) và khi có 0.5 mM cholesterol trong khoảng điện thế từ –0.6
đến +0.6 V tốc độ quyét 50 mV/s 103
Hình 5.31 Đáp ứng dòng của cảm biến Pt/PANi/Fe
3

O
4
/PSA-ChOx khi thêm 0,2mM
cholesterol trong dung dịch PBS (pH=7) dưới thế +0,18v 104
Hình 5.32 Đường chuẩn của cảm biến Pt/PANi/Fe
3
O
4
/PSA-ChOx là hàm của nồng
độ cholesterol 105
Hình 5.33 Đáp ứng dòng của cảm biến Pt/PANi/Fe
3
O
4
/PSA-ChOx khi thêm 0,5mM
cholesterol, 5 mM glucose, 0.5 mM AA, 0.5 mM UA, and 0.5 mM AC trong dung dịch
PBS (pH=7) dưới thế +0,18v 106
1

MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài
Trên thế giới, công nghệ nano là một lĩnh vực còn khá mới mẻ nhưng đã thu hút
được sự quan tâm rất lớn của cộng đồng khoa học và các hãng sản xuất. Nhiều thành
tựu ứng dụng công nghệ và vật liệu nano trong các ngành vật liệu điện tử, quang điện
tử, vật liệu từ, y sinh học đã được ghi nhận.
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về chế tạo và ứng dụng công nghệ nano đã được
phát động từ năm 1997. Từ đó đến nay, nhiều nghiên cứu theo hướng khoa học cơ
bản về công nghệ và vật liệu nano và sau đó là hướng nghiên cứu cơ bản định hướng
ứng dụng trong vật lý-điện tử, hoá học, môi trường, sinh học-nông nghiệp, chăm sóc

sức khoẻ đã được tiến hành và thu được nhiều kết quả khả quan.
Trong số các vật liệu nano sinh học, nano chitosan (CS) và các vật liệu cấu trúc nano
trên nền chitosan đã và đang thu hút sự quan tâm của đông đảo các nhà nghiên cứu trong
những năm gần đây. Những vật liệu này được điều chế từ chitosan, một polysaccharit dồi
dào trong tự nhiên, chủ yếu tìm thấy ở động vật giáp xác, côn trùng, nấm. Nano chitosan
và các dẫn xuất mang đầy đủ những đặc trưng ưu việt của chitosan như: (i) có tính tương
thích sinh học và không độc hại (đã được Cục dược phẩm và thực phẩm Hoa kỳ công
nhận), (ii) có khả năng phân hủy sinh học, (iii) có tính hấp phụ cao. Do đó, những vật liệu
này có tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y sinh học và môi
trường. Trong y sinh học, hạt nano chitosan là một hệ vận tải quan trọng dùng để dẫn
truyền thuốc, gen và protein. Với kích thước nanomet, hạt nano chitosan dễ dàng đi qua
màng tế bào, có thể đưa vào cơ thể qua nhiều đường khác nhau như dùng ngoài da, dùng
qua đường miệng, qua mũi…. Hơn nữa, khi sử dụng nano chitosan làm hệ dẫn thuốc, hoạt
chất (thuốc) được bảo vệ bởi những hạt nano chitosan, giúp đưa thuốc đến đúng mục tiêu,
phân giải có kiểm soát, từ đó nâng cao rõ rệt hiệu quả điều trị. Trong lĩnh vực môi trường,
nano chitosan được sử dụng như một chất hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ và
kim loại nặng. Các vật liệu tổ hợp hữu cơ – vô cơ cấu trúc nano trên nền chitosan như
Ag/CS, Fe
3
O
4
/CS đã thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Phân tán
các hạt nano bạc vốn có khả năng kháng khuẩn trên nền chitosan cho phép tăng cường
2

hiệu năng kháng khuẩn của hệ vật liệu này (bản thân chitosan cũng có tính kháng khuẩn),
đồng thời chitosan đóng vai trò là mạng nền, giúp tránh quá trình kết khối và tăng tính
đồng nhất của các hạt nano bạc. Kết hợp chitosan với hạt sắt từ là một giải pháp tốt trong
dẫn truyền thuốc ung thư hướng đích khi kết hợp được hiệu ứng nhiệt trị chữa ung thư của
các hạt nano oxit sắt siêu thuận từ và khả năng dẫn thuốc của hệ bằng từ trường ngoài…

Những năm gần đây, các nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học (biosensors) ứng
dụng trong hóa học phân tích đã và đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa
học trong và ngoài nước. Cảm biến sinh học đo tín hiệu điện hóa (electrochemical
biosensor) đáp ứng được các yêu cầu của hóa học phân tích hiện đại đó là có khả năng
phân tích nhanh theo thời gian thực (real-time), có độ nhạy, độ chọn lọc và chính xác
cao; thiết bị phân tích nhỏ gọn, sử dụng đơn giản, có giá thành phù hợp. Trong cảm
biến sinh học, các polyme dẫn điện như polypyrrol, polyanilin ngày càng được ứng dụng
nhiều, tuy nhiên để cho cảm biến có độ nhạy cao thì vật liệu điện cực phải có độ dẫn cao,
sự trao đổi điện tử dễ dàng. Do đó, việc pha tạp các hạt nano kim loại hoặc oxit kim loại
vào polypyrrol và polyanilin là một giải pháp thường được áp dụng.
Trên thế giới, vật liệu tổ hợp hữu cơ – vô cơ có chứa chitosan, polypyrrol, polyanilin
với các hạt nano (Ag, Fe
3
O
4
) đã được nghiên cứu khá nhiều và được đánh giá là một trong
những hệ vật liệu có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu
hầu như mới chỉ dừng ở nghiên cứu phương pháp chế tạo (qui mô phòng thí nghiệm) và
đặc trưng hệ vật liệu, chưa đưa ra được cơ sở lý thuyết lý do phải kết hợp vật liệu hữu cơ
với vô cơ cũng như thử nghiệm các ứng dụng của chúng một cách có hệ thống.
Vì những lí do đã đề cập đến ở trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu của
luận án là “Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật liệu tổ hợp cấu trúc nano từ polyme với
Ag, Fe
3
O
4
và đánh giá khả năng ứng dụng”.
Mục tiêu của luận án
- Mục tiêu của luận án là nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng hóa lý các vật liệu tổ
hợp cấu trúc nano dựa trên nền polyme thiên nhiên chitosan (CS) và polyme dẫn

polyanilin (PANi), polypyrrol (PPy) với oxit sắt từ (Fe
3
O
4
) và bạc (Ag): nano CS,
Ag/CS, Fe
3
O
4
/CS, Fe
3
O
4
/PPy, Fe
3
O
4
/ PANi/PSA.
3

- Từ đó, nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của các loại vật liệu trên trong
y sinh học (nghiên cứu khả năng gắn và nhả curcumin là chất có hoạt tính trị liệu cao
vào nano CS và nano Fe
3
O
4
/CS, nghiên cứu khả năng kháng khuẩn và ức chế tế bào
ung thư của nano Ag/CS, nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học xác định hàm lượng
glucose và cholesterol của Fe
3

O
4
/ PPy, Fe
3
O
4
/ PANi/PSA) và môi trường (nghiên cứu
khả năng xử lý kim loại nặng Pb(II), Ni(II), Cr(VI) của nano Fe
3
O
4
/CS).

Nội dung của luận án
1. Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng vật lý và hóa học một số vật liệu tổ hợp cấu
trúc nano trên nền polyme thiên nhiên chitosan và polyme dẫn polyanilin (PANi),
polypyrrol (PPy) với ôxit sắt từ (Fe
3
O
4
) và bạc (Ag): nano CS, Ag/CS, Fe
3
O
4
/CS
Fe
3
O
4
/PPy, Fe

3
O
4
/ PANi, Fe
3
O
4
/ PANi/PSA cụ thể như sau:
- Nghiên cứu tổng hợp nano CS bằng phương pháp khâu mạch sử dụng
gossypol, đặc trưng hóa lý bằng phương pháp: phổ hồng ngoại (IR), hiển vi điện từ
quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Ag/CS sử dụng CS vừa là tác nhân khử
vừa là tác nhân ổn định. Xác định các thông số hóa lý của vật liệu bằng phổ hấp thụ
tử ngoại khả kiến (UV-Vis), TEM. Theo dõi tiến trình phản ứng tạo nano Ag/CS bằng
UV-Vis. Nghiên cứu chi tiết động học của phản ứng tổng hợp vật liệu nano Ag/CS
(xác định bậc phản ứng, năng lượng hoạt hóa ).
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS bằng phương pháp đồng kết
tủa. Xác định các thông số đặc trưng hóa lý của vật liệu bằng các phương pháp IR,
TEM, SEM, từ kế mẫu rung (VSM).
- Nghiên cứu tổng hợp điện hóa vật liệu tổ hợp cấu trúc nano trên nền polyme
dẫn polyanilin, polypyrrol: Fe
3
O
4
/PPy, Fe
3

O
4
/ PANi/PSA. Xác định các đặc trưng
hóa lý của vật liệu bằng phương pháp SEM, IR, phương pháp điện hóa: quét thế vòng
(CV), đo dòng.
2. Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của các loại vật liệu tổ hợp cấu
trúc nano tổng hợp được trong y sinh học và môi trường.
4

- Nghiên cứu gắn curcumin (Cur) là chất có hoạt tính trị liệu quý vào nano CS
và Fe
3
O
4
/CS. Nghiên cứu khả năng nhả curcumin của vật liệu, nhằm đánh giá khả
năng ứng dụng nano Fe
3
O
4
/CS trong dẫn thuốc hướng đích.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu nano Ag/CS trong diệt
một số loại vi khuẩn gram âm, gram dương, nấm và ức chế 4 dòng tế bào ung thư.
- Nghiên cứu ứng dụng Fe
3
O
4
/PPy, Fe
3
O
4

/ PANi/PSA làm vật liệu chế tạo cảm
biến sinh học để xác định nồng độ glucose và cholesterol.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ các kim loại nặng Pb(II), Ni(II),
Cr(VI) của vật liệu nano Fe
3
O
4
/CS. Nghiên cứu chi tiết động học của quá trình hấp
phụ Cr(VI), ion khó xử lý và có độc tính cao nhất trong số những ion trên.

Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu của luận án
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp, đặc trưng và định hướng ứng dụng
của vật liệu tổ hợp cấu trúc nano.
Đối tượng nghiên cứu:
- Một số phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu tổ hợp cấu trúc nano.
- Một số phương pháp vật lý và hóa lý hiện đại xác định các tính chất đặc
trưng cơ bản của vật liệu tổng hợp.
- Một số định hướng ứng dụng trong y sinh học và môi trường của các
vật tổ hợp cấu trúc nano đã tổng hợp được.

Tính mới và sáng tạo của luận án
- Luận án đã nghiên cứu chi tiết động học của phản ứng tổng hợp vật liệu nano
Ag/CS. Từ đó, tìm ra được yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu nano
Ag/CS. Sử dụng vật liệu Ag/CS để kháng một số loại vi khuẩn gram dương, gram
âm, nấm và ức chế 4 dòng tế bào ung thư.
- Luận án đã nghiên cứu khả năng gắn và nhả curcumin của vật liệu nano CS,
Fe
3
O
4

/CS đây là cơ sở để có thể kết hợp curcumin (một loại dược liệu quý có khả
năng hỗ trợ điều trị ung thư) và nghiên cứu sự dẫn truyền thuốc hướng đích đến tế
bào ung thư dựa trên tính chất quang của curcumin.
5

- Luận án đã nghiên cứu tổng hợp được các loại vật liệu có khả năng sử dụng
làm cảm biến sinh học để xác định glucose và cholesterol. Đây là cơ sở để có thể chế
tạo cảm biến sinh học phát hiện các bệnh liên quan tới hàm lượng glucose và
cholesterol trong máu.
6

1. TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano
1.1.1. Giới thiệu
Vật liệu nano là vật liệu mà cấu trúc cơ bản cấu thành nên nó có kích thước nằm
ở thang nano. Các tính chất mới của vật chất được phát hiện ở thang nano có các hiệu
ứng đặc biệt liên quan đến kích thước. Vì vậy, hầu hết các tính chất của vật liệu nano
phụ thuộc vào tính chất và kích thước của các “viên gạch cơ bản” tạo nên chúng, tức
là phụ thuộc vào tính chất của các quá trình vật lý xảy ra ở thang kích thước điển hình
của nguyên tử và phân tử, hay nói đúng hơn là ở trung gian giữa các kích thước vĩ
mô và các kích thước phân tử hoặc nguyên tử [2, 18]. Khi giảm kích thước xuống
thang nano, vật liệu có những tính chất khác biệt so với các vật liệu có kích thước ở
thang micro cùng loại. Ngay cả các tính chất đặc trưng cho bản chất của vật liệu như
hằng số điện môi, điểm nóng chảy, chiết suất cũng có thể bị thay đổi. Ngoài ra còn
có nhiều tính chất đặc trưng khác của vật liệu như: hoạt tính bề mặt, diện tích bề mặt;
các tính chất nhiệt, điện, từ, quang học, cơ học, hóa học thậm chí cả sinh học… của
vật liệu cũng bị thay đổi khi giảm kích thước [18]. Trong các quá trình và các hiệu
ứng xảy ra ở thang nano, cơ học lượng tử đóng vai trò quan trọng chủ đạo. Các tính
chất như áp suất chuyển pha, điểm nóng chảy, tính chất quang học, quang điện tử,
xúc tác, tính chất từ hay điện cũng khác so với vật liệu cùng thành phần thông thường

có kích thước cỡ micromét trở lên và chỉ có thể giải thích được khi áp dụng các quan
điểm của vật lý lượng tử [23].
Một đặc điểm quan trọng của công nghệ nano là khả năng bắc cầu nối giữa
thang kích thước nguyên tử và phân tử đến thang vĩ mô của kỹ thuật và công nghệ.
Đặc điểm này dẫn đến các hiểu biết mới cũng như mở ra khả năng chế tạo các thiết
bị công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực ứng dụng từ điện tử đến y học [18], [23]. Các
vật liệu/linh kiện chức năng; các lớp phủ; các mảng hai và ba chiều dùng trong các
kinh kiện nano trong tương lai đã làm nên một cuộc cách mạng trong khoa học kỹ
thuật, mở ra khả năng liên kết giữa thế giới nano với thế giới micro [5, 6]. Vì vậy
khoa học công nghệ có những bước tiến nhảy vọt và công nghệ nano sẽ trở nên hết
sức quan trọng, là mối quan tâm lớn có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển kinh tế
tại nhiều nước trên thế giới [23].
1.1.2. Phân loại vật liệu nano
Dựa vào hình dáng của vật liệu, người ta có một số loại vật liệu nano sau:
- Vật liệu nano không chiều: là vật liệu mà ở đó cả ba chiều đều có kích thước
7

nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo cả
ba chiều không gian). Các vật liệu nano cấu trúc không chiều điển hình là các đám
nano, hạt nano, chấm lượng tử nano [23].
- Vật liệu nano một chiều: là vật liệu có tỷ lệ kích thước chiều dài trên chiều
rộng (Aspect Ratio) lớn, ví dụ, thanh nano, ống nano và dây nano. Hiện nay, từ thực
nghiệm người ta cho rằng tỷ lệ aspect ratio (AR) cho hai loại (thanh và ống nano dao
động từ 5/1 đến 10/1, còn với dây nano tỷ lệ này thường lớn hơn 20/1 [23].
- Vật liệu nano hai chiều: là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, điện
tử được tự do trên hai chiều (sự giam hãm lượng tử xảy ra theo một chiều trong không
gian). Các vật liệu cấu trúc hai chiều điển hình là các loại màng mỏng, giếng lượng
tử… [23].
1.1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano
Để tạo ra các vật liệu nano, hiện nay có hai cách tiếp cận chủ yếu. Cách tiếp cận

thứ nhất là tiếp cận từ trên xuống (top-down), tức là xuất phát từ các kích cỡ lớn, nhỏ
nhất là micromét, sau đó làm giảm kích thước đặc trưng của vật liệu xuống kích thước
nanomét. Các sản phẩm chế tạo theo cách này có thể điều chỉnh kích thước khá tốt,
có đặc trưng vật lý rất rõ. Các phương pháp thường sử dụng là các phương pháp vật
lý kiểu quang khắc, đi kèm với các chùm ion, các chùm hạt, chùm điện tử. Những
phương pháp này có thể chế tạo các vật liệu có kích thước cỡ 50 nm, tuy nhiên, chất
lượng hình thái học không cao, khá tốn kém và đòi hỏi phải có hệ thống máy móc
thiết bị hiện đại [23].
Cách tiếp cận thứ hai là tiếp cận từ dưới lên (bottom-up), tức là chủ yếu sử
dụng các phương pháp hóa học để lắp ghép các đơn vị nguyên tử hoặc phân tử lại với
nhau nhằm thu được các cấu trúc nano. Cách tiếp cận này vẫn còn tương đối mới,
đang ngày càng thu hút sự chú ý của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới và không
đòi hỏi các thiết bị hiện đại [2, 18, 23].
So với các phương pháp vật lý (top-down) đã được thương mại hóa trong các
ứng dụng công nghiệp để chế tạo ra các cấu trúc nano, các phương pháp hóa học đang
chiếm ưu thế về khả năng thu được các dạng cấu trúc nano có hình thái học tốt và
tính đồng nhất cao. Một số phương pháp như sol-gel, thủy nhiệt, khuôn mềm hiện
đang trở thành những phương pháp chủ yếu được sử dụng để tổng hợp các dạng cấu
trúc nano khác nhau [2, 18]. Ưu điểm chính của các phương pháp này là khả năng
điều khiển quá trình kết tủa, vì vậy mà các sản phẩm thu được có độ đồng đều cao,
có thể điều khiển được kích thước dễ dàng [2]. Đặc biệt là phương pháp thủy nhiệt
kết hợp với sử dụng các loại khuôn mềm đáp ứng tốt các yêu cầu về chế tạo có điều
8

khiển các loại cấu trúc nano thấp chiều như các hạt, lá thanh, ống, dây… nano khác
nhau với phân bố kích thước hẹp, đồng đều và hiệu suất hình thành cao [2,23].
1.2. Chitosan
1.2.1. Giới thiệu
Chitin là một polysacharit tồn tại trong tự nhiên với sản lượng rất lớn (đứng thứ
hai sau cellulose), được tìm thấy cả trong động vật và thực vật. Trong động vật,

chitosan là một thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ một số động vật không xương
sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác và giun tròn. Trong thực vật, chitin có ở
thành tế bào nấm họ zygenmyctes, các sinh khối nấm mốc, một số loại tảo [1, 58].
Chitin là polysaccarit có đạm không độc, có khối lượng phân tử lớn. Cấu trúc
của chitin là tập hợp các monosacharit (N-acetyl-β-D-glucosamine) liên kết với nhau
bởi các cầu nối glucozit và hình thành một mạng các sợi có tổ chức. Trong các loài
thủy sản, đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chiếm khá cao, dao
động từ 14 - 35% so với trọng lượng khô [34, 58]. Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn
nguyên liệu chính để sản xuất chitin.
Trong số các dẫn xuất của chitin thì chitosan là một trong những dẫn xuất quan
trọng nhất vì nó có hoạt tính sinh học cao và có nhiều ứng dụng trong thực tế.
Chitosan thu được bằng phản ứng deacetyl hóa chitin, biến đổi nhóm N-acetyl
thành nhóm amin ở vị trí C2 bằng kiềm hoặc bằng enzym.
Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn toàn nên người ta qui ước nếu độ
deacetyl hóa (degree of deacetylation) DD > 50% thì gọi là chitosan, nếu DD < 50%
gọi là chitin [20,34].
1.2.2. Một số tính chất của chitosan
Công thức cấu tạo:
Tên gọi khoa học: Poly(1-4)-2-amino-2-deoxy-β-D-glucose; poly(1-4)-2-
amino-2-deoxy-β-D-glucopyranose.
Công thức phân tử: [C
6
H
11
O
4
N]n
Phân tử lượng: M
chitosan
= (161,07)

n


Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị 2-amino-2-deoxy-β-D-
glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4) glucozit. Công thức cấu tạo của
chitosan được trình bày trong Hình 1.1.
9


Hình 1.1 Cấu trúc chitin – chitosan
Qua cấu trúc của chitin – chitosan (Hình 1.1) ta thấy chitin chỉ có một nhóm
chức hoạt động là -OH (H ở nhóm hydroxyl bậc 1 linh động hơn H ở nhóm hydroxyl
bậc 2 trong vòng 6 cạnh) còn chitosan có 2 nhóm chức hoạt động là -OH, -NH
2
, do
đó chitosan dễ dàng tham gia phản ứng hóa học hơn chitin. Trong thực tế các mạch
chitin - chitosan đan xen nhau, vì vậy tạo ra nhiều sản phẩm đồng thời, việc tách và
phân tích chúng rất phức tạp.
Mức độ deacetyl hóa:
Quá trình deacetyl hóa bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử
chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao. Mức độ
deacetyl hóa là một đặc tính quan trọng của quá trình sản xuất chitosan bởi vì nó ảnh
hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng ứng dụng của chitosan sau này. Mức độ
deacetyl hóa của chitosan vào khoảng 56%-99% (nhìn chung là 80%) phụ thuộc vào
loài giáp xác và phương pháp sử dụng. Có rất nhiều phương pháp để xác định mức
độ deacetyl hóa của chitosan bao gồm: chuẩn độ điện thế, quang phổ hồng ngoại,
chuẩn độ bằng HI…[63].
Trọng lượng phân tử:
Chitosan là polyme sinh học có khối lượng phân tử cao. Các sản phẩm chitosan
thương phẩm có khối lượng khoảng 100.000-1.200.000 dalton, khối lượng chitosan

phụ thuộc quá trình chế biến và loại nguyên liệu. Thông thường, nhiệt độ cao, sự có
10

mặt của oxy và sức kéo có thể dẫn đến phân hủy chitosan. Giới hạn nhiệt độ là 280°C,
sự phân hủy do nhiệt có thể xẩy ra và mạch polyme nhanh chóng bị phá vỡ, do đó
khối lượng phân tử giảm. Nguyên nhân quá trình phá vỡ mạch polyme là sử dụng
nhiệt độ cao và axit đặc như HCl, H
2
SO
4
dẫn đến thay đổi khối lượng phân tử. Khối
lượng phân tử chitosan có thể xác định bằng phương pháp sắc kí, phân tán ánh sáng
hoặc đo độ nhớt [55].
Độ nhớt:
Độ nhớt là một nhân tố quan trọng để xác định khối lượng phân tử của chitosan.
Chitosan phân tử lượng cao thường làm cho dung dịch có độ nhớt cao. Một số yếu tố
trong quá trình sản xuất như mức độ deacetyl hóa, khối lượng nguyên tử, nồng độ
dung dịch, độ mạnh của lực ion, pH và nhiệt độ ảnh hưởng đến sản xuất chitosan và
tính chất của nó. Độ nhớt của chitosan trong dung dịch axit axetic tăng khi pH của
dung dịch này giảm. Tuy nhiên độ nhớt của chitosan trong dung dịch HCl lại giảm
khi pH của dung dịch HCl giảm. Do vậy, độ nhớt của chitosan là một hàm phụ thuộc
vào mức độ ion hóa cũng như lực ion. Quá trình loại protein trong dung dịch NaOH
3% và sự khử trong quá trình khử khoáng làm giảm độ nhớt của dung dịch chitosan
thành phẩm. Tương tự như vậy, độ nhớt của chitosan bị ảnh hưởng đáng kể bởi các
biện pháp xử lý vật lý (nghiền, gia nhiệt, hấp khử trùng, siêu âm) và hóa học (xử lý
bằng ozon), không tính quá trình làm lạnh thì độ nhớt của chitosan sẽ giảm khi thời
gian và nhiệt độ xử lý tăng. Dung dịch chitosan bảo quản ở 4°C được cho là ổn định
nhất [58].
Tính tan:
Chitin tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, trong khi đó chitosan tan trong

các dung dịch axit pH dưới 6,0. Các axit hữu cơ như axetic, formic và lactic thường
được sử dụng để hòa tan chitosan. Thường sử dụng nhất là dung dịch axit axetic 1%
tại pH 4,0. Chitosan cũng tan trong dung dịch HCl 1% nhưng không tan trong H
2
SO
4

và H
3
PO
4
. Ở pH cao, có thể xảy ra hiện tượng kết tủa hoặc đông tụ nguyên nhân là
do hình thành hỗn hợp poly ion với chất keo anion. Tính tan của dung dịch còn bị ảnh
hưởng của mức độ deacetyl hóa.
Tỉ lệ nồng độ giữa chitosan và axit rất quan trọng. Ở nồng độ dung môi hữu cơ
11

cao hơn 50%, chitosan vẫn hoạt động như là một chất gây nhớt giúp cho dung dịch
mịn. Có một vài nhân tố ảnh hưởng đến tính chất dung dịch chitosan bao gồm nhiệt
độ và thời gian quá trình deacetyl hóa, nồng độ các chất kiềm, việc xử lý sơ bộ, kích
thước của các phần tử [58].
Một số tính chất lý hóa khác của chitosan:
- Không độc, tính tương ứng sinh học cao và có khả năng phân huỷ sinh học
nên không gây dị ứng và không gây phản ứng phụ, không gây tác hại đến môi
trường;
- Cấu trúc ổn định;
- Tan tốt trong dung dịch axit loãng (pH < 6,3) và kết tủa ở những giá trị pH cao
hơn;
- Có tính kháng khuẩn tốt;
- Là hợp chất cao phân tử nên trọng lượng phân tử của nó giảm dần theo thời

gian do phản ứng tự cắt mạch. Nhưng khi trọng lượng phân tử giảm thì hoạt tính
kháng khuẩn và kháng nấm không bị giảm đi. Có khả năng hấp phụ cao đối với
các kim loại nặng.
- Ở pH < 6,3, chitosan có điện tích dương;
- Trong phân tử chitosan có chứa nhóm –OH, -NHCOCH
3
trong các mắt xích
N-acetyl-D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amin, vừa là amid.
Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn
xuất thế N-;
- Chitosan là những polyme mà các monomer được nối với nhau bởi các liên
kết α-(1-4)-glycoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất như: axit,
bazơ, tác nhân oxy hoá và các enzym thuỷ phân [63].

1.2.3. Chế tạo vật liệu nano chitosan và vật liệu cấu trúc nano trên nền
chitosan
1.2.3.1. Chế tạo vật liệu nano chitosan
Hiện nay, có nhiều phương pháp tạo nano chitosan. Các phương pháp chủ yếu
thường được sử dụng là: phương pháp khâu mạch nhũ tương (emulsion cross-
12

linking), phương pháp giọt tụ/kết tủa (coacervation/precipitation), phương pháp hợp
nhất giọt nhũ tương (emulsion-droplet coalescence), phương pháp tạo gel ion (ionic
gelation) và phương pháp mixen đảo (reverse micellar) [1, 41, 56, 58]. Bảng 1-1 tóm
tắt một số phương pháp điều chế hạt nano chitosan làm chất dẫn các loại thuốc,
protein khác nhau.
Bảng 1-1. Một số phương pháp điều chế hạt nano chitosan làm chất dẫn các loại
thuốc, protein khác nhau [1, 47, 50, 56, 63, 93].

Phương pháp điều chế nano

chitosan
Thuốc/ protein
Gel ion
Insulin, ricin, BSA, cyclosporine A
Phương pháp giọt tụ/kết tủa
DNA/Doxorubicin
Hợp nhất giọt nhũ tương
Axit gadopentetic
Mixen đảo
Doxorubicin

Phương pháp khâu mạch nhũ tương: Hỗn hợp nhũ tương nước trong dầu
được tạo ra bằng cách phân tán dung dịch chitosan trong dầu. Những giọt lỏng được
làm bền bởi chất hoạt động bề mặt. Dung dịch nhũ tương sau đó được khâu mạch
bằng tác nhân tạo nối thích hợp như glutaraldehyde. Hai nhóm –CHO của
glutaraldehyde sẽ phản ứng với nhóm –NH
2
của chitosan để khâu mạch tạo hạt nano
chitosan [59].
Phương pháp giọt tụ/kết tủa: Phương pháp này sử dụng tính chất của chitosan
là không tan trong dung dịch kiềm. Bởi vậy, chitosan sẽ bị kết tủa, tạo giọt ngay khi
dung dịch chitosan tiếp xúc với dung dịch kiềm. Dung dịch kiềm có thể là NaOH.
Dung dịch chitosan sẽ được một thiết bị nén phun vào dung dịch kiềm để tạo hạt
nano.