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

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

Hà Nội – 2016


LỜI CAM ĐOAN
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 là trung thực và chưa được công bố trong luận án khác.

Tác giả luận án

NCS. Nguyễn Thị Ngoan


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trần
Đại Lâm, PGS.TS. Nguyễn Tuấn Dung đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình
hoàn nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phạm Gia Điền cùng tập thể
phòng Công nghệ các chất có Hoạt tính sinh học - Viện hóa học; Phòng Nghiên
cứu ứng dụng và triển khai công nghệ - Viện Kỹ thuật nhiệt đới; GS. Jeung Sang
Go phòng thí nghiệm trọng điểm NExT MEMS – Trường Đại học Pusan – Hàn
Quốc đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành các nhiệm vụ nghiên cứu cũng như hoàn
thiện bản luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến phòng sau đại học Viện Kỹ thuật
Nhiệt đới, Khoa Hóa học - Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện để tôi hoàn thiện luận án.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên trong suốt quá trình
thực hiện luận án!
Tác giả luận án

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

1.1.5.

Nanocompozit chitosan/nano kim loại .............................................. 18

1.2. Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan ................................. 21
1.2.1.

Hạt nano bạc ...................................................................................... 21

1.2.1. 1. Các tính chất đặc trưng và ứng dụng............................................. 21
1.2.1.2. Các phương pháp chế tạo ............................................................... 24
1.2.2.

Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs) ... 25

1.3. Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền CS (CS/MNPs) ................... 26
1.3.1. Hạt nano sắt từ ....................................................................................... 27
1.3.1.1. Các tính chất và ứng dụng .............................................................. 28
1.3.1.2. Các phương pháp chế tạo ............................................................... 30
1.3.2. Nanocompozit chứa hạt nano sắt từ trên nền chitosan (CS/MNPs)...... 31
1.4. Nanocompozit chứa hạt nano bạc và hạt nano sắt từ trên nền chitosan
(CS/AgNPs-MNPs).............................................................................................. 34
1.4.1. Nanocompozit bạc - sắt từ (AgNPs-MNPs) .......................................... 34
1.4.1.1. Các tính chất và ứng dụng .............................................................. 36
1.4.1.2. Các phương pháp tổng hợp ............................................................ 38
1.4.2.

Nanocompozit chứa hạt nano bạc, hạt nano sắt từ trên nền chitosan

(CS/AgNPs-MNPs) ......................................................................................... 38

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

2.3.1.3. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ................................................. 50
2.3.2. Phương pháp xác định hình thái học nanocompozit ............................. 50
2.3.2.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .................... 50
2.3.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét xạ trường FESEM .................... 50
2.3.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất hóa, lý, sinh của nanocompozit .. 51
2.3.3.1. Phương pháp từ kế mẫu rung (VSM) ............................................. 51
2


2.3.3.2. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV-vis) ............................... 51
2.3.3.3. Phương pháp phổ huỳnh quang ...................................................... 51
2.3.3.4. Phương pháp thử hoạt tính sinh học ............................................... 51
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................... 53
3.1.

Nanocompozit chứa hạt nano bạc trên nền chitosan (CS/AgNPs)........ 53

3.1.1. Chế tạo nanocompozit CS/AgNPs ........................................................ 53
3.1.1.1. Phương pháp sử dụng chất khử NaBH4 ......................................... 53
3.1.1.2. Phương pháp gia nhiệt .................................................................... 54
3.1.1.3. Phương pháp sử dụng lò vi sóng .................................................... 55
3.1.2. Đặc trưng cấu trúc ................................................................................. 57
3.1.3.

Hình thái học ..................................................................................... 60

3.1.4. Tính chất lý, hóa, sinh học .................................................................... 64
3.1.4.1. Tính chất quang .............................................................................. 64
3.1.4.2. Hoạt tính sinh học .......................................................................... 65
3.1.5. Khả năng mang curcumin ..................................................................... 68

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

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AgNPs

Nano bạc

Bs

Bacillus subtilis

Ca

Candida albicans

CS

Chitosan

CS/NPs

Nanocompozit chứa nano kim loại trên nền chitosan

CS/AgNPs1

Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp khử NaBH4

CS/AgNPs2

Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng
phương pháp dùng chitosan điều kiện gia nhiệt

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

Curcumin

DCM

Diclometan

DD

Độ đề axetyl hóa

DOX

Doxorubicin

Ec

Escherichia coli

EDX

Phương pháp phổ tán xạ năng lượng

FESEM

Hiển vi điện tử quét xạ trường

FMNPs

Nanocompozit nano sắt từ trên nền chitosan gắn chất phát quang

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

Se

Salmonella enteric

SEM

Hiển vi điện tử quét

TEM

Hiển vi điện tử truyền qua

TLC

Sắc ký lớp mỏng

XRD

Nhiễu xạ tia X

UV-vis

Hấp thụ ánh sáng tử ngoại vùng nhìn thấy

VSM

Từ kế mẫu rung

6

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 1.10. Sơ đồ hình thành nano Fe3O4 trong mạng lưới CS [134] ..................... 32
Hình 1.11. Cơ chế hình thành Fe3O4 trên bề mặt chitosan [67] .............................. 33
Hình 1.12. Sơ đồ vật liệu compozit lai hoá dị thể AgNPs-MNPs........................... 35
Hình 2.1. Sơ đồ các phương pháp chế tạo CS/AgNPs ............................................ 41
Hình 2.2. Chế tạo CS/MNPs1 sử dụng hệ khuấy trộn trong điều kiện trơ.............. 44
Hình 2.3. Mô hình chế tạo CS/MNPs2 trong hệ thống vi lưu................................. 44
Hình 2.4. Sơ đồ quá trình tổng hợp CS/MNPs3 ...................................................... 46
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đốt nhiệt cảm ứng từ. .................................. 48
Hình 2.6. Đường đốt nhiệt từ .................................................................................. 49
Hình 3.1. (A) Phổ UV-vis của CS/AgNPs trước và sau khi khử bằng NaBH4 trong
30 phút; (B) Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian khử ...................... 53
Hình 3.2. Phổ hấp thụ UV-vis của CS/AgNPs2 với các nhiệt độ phản ứng khác
nhau ......................................................................................................................... 54
Hình 3.3. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang vào thời gian khử ........................... 55
Hỉnh 3.4. (A) Phổ UV-vis của nanocompozit trước và sau khi khử trong lò vi sóng
trong 10 phút; (B) Sự phụ thuộc độ hấp thụ quang của CS/AgNPs3 vào thời gian
khử ........................................................................................................................... 55
Hình 3.5. Ảnh chụp dung dịch chứa CS/AgNPs1 và CS/AgNPs3 sau khi bổ sung
HCl........................................................................................................................... 57
8


Hình 3.6. Phổ IR của nanocompozit CS/AgNPs và CS .......................................... 58
Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của: (A) CS và (B) CS/AgNPs........................... 59
Hình 3.8. Phổ EDX của CS/AgNPs3 ...................................................................... 59
Hình 3.9. Ảnh FESEM của: (A) CS; (B) CS/AgNPs1,(C) CS/AgNPs2; (D)
CS/AgNPs3.............................................................................................................. 61
Hình 3.10. Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của: (A) CS/AgNPs1, (B)
CS/AgNPs2 và (C) CS/AgNPs3 .............................................................................. 62
Hình 3.11. Sơ đồ Lamer mô tả quá trình hình thành hạt nano ................................ 63

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

các giá trị từ trường khác nhau ................................................................................ 89
Hình 3.33. Đường cong nhiệt trị của chất lỏng từ CS/AgNPs-MNPs tại các nồng độ
khác trong từ trường 80 Oe ..................................................................................... 90
Hình 3.34. Sự phụ thuộc của nhiệt độ bão hòa vào nồng độ của CS/AgNPs-MNPs
................................................................................................................................. 91
Hình 3.35. Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn các vi khuẩn E. Coli ....... 92
Hình 3.36. Hình ảnh đĩa thạch xác định vòng vô khuẩn các vi khuẩn P.aeruginosa
của CS/AgNPs, CS/MNPs, CS/AgNPs-MNPs ....................................................... 93
Hình 3.37. Phổ hấp phụ UV-vis của CS/AgNPs, CS/AgNPs-MNPs, CS/AgNPsMNPs – Cur ............................................................................................................. 94

10


MỞ ĐẦU
Công nghệ và vật liệu nano là lĩnh vực còn khá mới mẻ nhưng đã thu hút sự
quan tâm của các nhà khoa học. Nhiều thành tựu ứng dụng trong các ngành vật liệu
điện tử, quang điện tử, vật liệu từ, y sinh học đã được nghiên cứu và phát triển
thành công [6, 83, 87].
Vật liệu polyme nanocompozit, kết quả của sự kết hợp giữa polyme và vật liệu
nano, đã thể hiện được các ưu điểm của các thành phần chất gia cường nano và pha
phân tán polyme. Lý thuyết, mô hình chế tạo và ứng dụng của loại vật liệu này cũng đã
và đang được quan tâm chú ý. Ngoài các ứng dụng vượt trội của vật liệu polyme
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.
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.
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

có chủ yếu trong vỏ cứng của các loại giáp xác như tôm, cua, mực, tảo biển, vỏ của
bọ cánh cứng… Vì vậy sản lượng chitin rất lớn, đứng thứ hai trong số các polyme
thiên nhiên (sau xenlulo) [86].
Chitin là một polysacarit tồn tại dạng tinh thể có ba dạng thù hình α, β, γ,
khác nhau ở sự sắp xếp các mạch phân tử trong tinh thể và tùy thuộc vào nguồn
nguyên liệu [70]. Trong vỏ tôm, cua, chitin chiếm tỉ lệ khá cao (14%-35%), phần
lớn là dạng α - chitin, là loại có cấu trúc mạch ngược chiều nhau đều đặn. Ngoài
liên kết hydro trong một lớp và hệ chuỗi còn có lực liên kết giữa các lớp, do các
chuỗi thuộc lớp gần nhau nên rất bền vững. β-chitin thường được tách ra từ mai
mực ống, loại này trong tự nhiên ít hơn α-chitin. Còn γ-chitin được tách ra từ sợi
kén của bọ cánh cứng, loại này có rất ít trong tự nhiên. Hiện nay phần lớn chitin
được sản xuất từ vỏ tôm do có tiềm năng về nguồn nguyên liệu. Vỏ tôm sau khi
tách protein, khoáng, loại bỏ chất màu thu được chitin [70].
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 m3/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 sản
13


đang 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
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

Phản ứng vào nhóm amin:
Nhóm amin có khả năng nhận proton từ axit loãng theo cân bằng phản ứng:


Chito-NH 3 + CH3COO-

Chito-NH2 + CH3COOH

Nếu chuyển pH của phản ứng tới giá trị pH=7-8, phản ứng sẽ chuyển dịch
theo hướng ngược lại, tạo gel CS.
15


Nhóm amin của CS còn có khả năng tham gia phản ứng với anđehit tạo liên
kết imin.
Phản ứng vào cả hai nhóm chức hydroxyl và amin
- Phản ứng thế với axit monocloaxetic
- Phản ứng thế với ankyl halogen
Để các phản ứng này xảy ra ở một trong hai nhóm chức (nhóm -NH2 hoặc
nhóm -OH) phải tiến hành khóa một nhóm, ví dụ khóa nhóm -NH2 bằng cách tạo
phức với các kim loại chuyển tiếp.
1.1.3. Ứng dụng của chitosan trong lĩnh vực y sinh
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].
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

học Thuỷ sản Nha Trang, là những người lần đầu tiên công bố quy trình sản xuất
chitin, chitosan [9]. Sau đó, nhiều cơ sở khoa học cũng tham gia nghiên cứu:
Trường Đại học Nông lâm - Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Hoá học - Viện Hàn
lâm KHCNVN [5], Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thuỷ sản 2.
Với đặc tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học tốt, CS được Tổ
chức Y tế Thế giới (WHO) đánh giá rất cao về tiềm năng ứng dụng trong y sinh
dược học [48]. Việc tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi, khả năng ứng dụng của
CS vẫn luôn là vấn đề thời sự, thu hút sự quan tâm của đông đảo các nhà khoa học
trong và ngoài nước.
1.1.4. Curcumin
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].

17


O

O

R1

R2

OH

OH

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

polyme sau đó bị khử bởi các tác nhân hóa học, nhiệt hay bức xạ, để hình thành hạt
nano trong mạng lưới polyme. Hoặc các hạt nano kim loại được phân tán trong
18


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.
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.
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.
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].
Tác nhân đánh dấu

Phân tử thuốc
Lớp chức
năng

Lớp bảo vệ

Tác nhân phát quang
Tương thích sinh học

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

+ 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
1.2.1. 1. Các tính chất đặc trưng và ứng dụng
Bạc kim loại thường có cấu trúc tinh thể kiểu mạng lập phương tâm mặt
(Hình 1.8), với thông số của ô cơ sở là: a = 4.08Ǻ, b = 4.08 Ǻ, c = 4.08 Ǻ, a = 90°,
ß = 90°, γ = 90°. Các nguyên tử đuợc bố trí tại 8 đỉnh của hình lập phương tương
ứng với tọa độ (000), (100), (110), (010), (001), (101), (111), (011) và 6 nguyên tử
bố trí ở tâm của 6 mặt của ô cơ sở tương ứng có tọa độ (1/2 0 1/2), (1 1/2 1/2), (1/2
1 1/2), (0 1/2 1/2), (1/2 1/2 0), (1/2 1/2 1).

Hình 1.7. Cấu trúc lập phương tâm mặt của bạc kim loại
Hạt nano bạc (AgNPs) có tính chất khác biệt so với vật liệu khối do hiệu ứng
bề mặt, hiệu ứng kích thuớc và do có mật độ điện tử tự do lớn
Tính chất quang học
Tính quang học của AgNPs bắt nguồn từ hiện tượng cộng huởng Plasmon bề
mặt (surface plasmon resonance) do điện tử tự do trong AgNPs hấp thụ ánh sáng.
Kim loại có mật độ điện tử tự do lớn, các điện tử tự do này sẽ dao dộng duới tác
dụng của điện từ truờng bên ngoài hấp thụ ánh sáng. Thông thuờng các dao dộng
bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút mạng tinh thể
trong kim loại, khi quãng đuờng tự do trung bình của điện tử nhỏ hơn kích thuớc.
Khi kích thuớc của kim loại nhỏ hơn quãng đuờng tự do trung bình thì hiện tuợng
21