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

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

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

Tác giả luận án

NCS. Nguyễn Thị Ngoan


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

5


CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM . 40
1.1....................................................................................................................................
1.2.............................................................................................................................

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

1.7. Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng
1.8. phương pháp dùng chitosan điều kiện gia nhiệt
1.9. Nanocompozit chứa nano bạc trên nền chitosan chế tạo bằng
1.10. phương pháp dùng chitosan trong lò vi sóng
1.11. Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan
1.12. Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng
1.13. phương pháp đồng kết tủa dưới dòng nitơ trơ
1.14. Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng
1.15. phương pháp đồng kết tủa trong hệ vi lưu
1.16. Nanocompozit chứa nano sắt từ trên nền chitosan chế tạo bằng
1.17. phương pháp oxy hóa kết tủa
1.18. Chitosan biến tính với florescien isothiocyanat
1.19. Curcumin
1.20. Diclometan
1.21. Độ đề axetyl hóa

Cur

1.22. Doxorubicin

DCM

1.23. Escherichia coli

DD

1.24. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng Hiển vi điện tử quét xạ

DOX
Ec

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

e
1.13. S
E
1.15. T
E
1.17. T
LC
1.19. X
RD
1.21. U
V1.23. V
S
1.25.
1.28.

1.2.

Lactobacillus fermentum

1.4.

Nano sắt từ Fe3Ơ4

1.6.
1.8.
1.10.

Từ độ bão hòa
Pseudomonas aeruginosa
Staphylococcus aureus

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.

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.30......................................................................................................................
1.31...........................................................................................................................
1.32.

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.33......................................................................................................................
1.34...........................................................................................................................


1.35.
1.36.

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].
1.37.

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.
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

chức năng chứa nano bạc, nano sắt từ trên nền chitosan nhằm kết hợp các tính chất quý
báu 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.


1.42. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Chitosan

1.1.1.

Giới thiệu chung về chitosan

1.43. 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].
1.44. Chitin là một polysacarit tồn tại dạng tinh thể có ba dạng thù hình a, p, Y,
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 a 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. P-chitin thường được tách ra từ mai mực ống, loại này trong tự nhiên ít hơn achitin. Còn Y-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].

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.

1.47.

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).

Chitosan


1.48. 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].
1.49. 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 -NH 2 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].
1.26.

1.50.
1.51. Hình 1.3. Các khả năng biến tính
chitosan Phản ứng vào nhóm amin:
1.52. Nhóm amin có khả năng nhận proton từ axit loãng theo cân bằng phản ứng:


1.53. Chito-NH2 + CH3COOH +=t Chito-NH3 + CH3COO- Nếu chuyển pH
của phản ứng tới giá trị pH=7-8, phản ứng sẽ chuyển dịch theo hướng ngược lại, tạo gel
CS.
1.54. Nhóm amin của CS còn có khả năng tham gia phản ứng với anđehit tạo liên
kết imin.

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].

1.58. 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].


1.59. 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 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].
1.60. 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.
1.61. 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

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.

1.68.

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

1.69.

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].
1.70.

Có hai phương pháp chế tạo nanocompozit polyme/kim loại: in-situ và ex-

1.71. situ:
1.72. - 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

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.

1.78.

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.


1.79. Nanocompozit CS/NPs có thể chế tạo theo 2 phương pháp [35, 40, 42].
1.80.

- Phương pháp in-situ:

1.81.

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:
1.82. + 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 -NH 2
của CS (hình 1.7)..
1.30.

1.83.
1.84.

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.
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

1.2.1.

1. Các tính chất đặc trưng và ứng dụng

1.90. 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 = 4.08Ấ, b = 4.08 Ấ, c = 4.08 Ấ, a = 90°, B =
90°, Y = 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).
1.31.

1.91.
1.92. 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
1.93. 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 dập tắt không còn nữa, điện tử sẽ dao dộng cộng
hưởng với ánh sáng kích thích. Tính chất quang của hạt AgNPs có được do sự dao dộng tập
thể của các điện tử, dẫn đến quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ. Khi dao dộng như
vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt AgNPs, làm cho hạt AgNPs bị phân cực điện, tạo
thành một lưỡng cực điện. Do vậy xuất hiện một tần số cộng huởng phụ thuộc vào nhiều

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.

1.33.
1.34.
1.35.

^ Tế bào vi3 AgNPs
'■ ' khuẩn Enzym của vi khuẩn

L J

1.101.
1.102.

Hình 1.8. Cơ chế kháng khuẩn

của AgNPs Ứng dụng nano bạc trong y sinh
1.103. Phần lớn các ứng dụng của AgNPs trong y sinh dựa vào hai tính chất tiêu
biểu là tính chất quang học và hoạt tính kháng khuẩn, cụ thể như sau:
- Hoạt tính kháng nấm: AgNPs có tác dụng kháng nấm trên phổ rộng, bao gồm các
loại nấm thông thường như aspergillus, Candida, và saccharomyces... [94].
- Ứng dụng ức chế virus HIV: AgNPs có tiềm năng ứng dụng làm thuốc ức chế
virus HIV thế hệ mới trong tương lai. Humberto và cộng sự đã chỉ ra rằng AgNPs có khả
năng ức chế virus HIV-1, tuỳ theo kích thước hạt. Với AgNPs kích thước trung bình
khoảng 10 nm, hiệu quả ức chế có thể đạt 60% [46].
- Hoạt tính kháng viêm: AgNPs được chứng minh có hoạt tính kháng viêm. Wong
KK và cộng sự khi thử nghiệm trên chuột đã cho thấy AgNPs làm biến đổi các hoạt động
màng metallo - proteinase (là thành phần quan trọng trong các quá trình kháng viêm), ngăn
chặn sự phát triển của TNFa (cytokin viêm), interleukin (IL)-12 và IL-1, làm liền sẹo
nhanh vết thương [113].

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

trường, Viện Hàn lâm KHCNVN đã công bố chế tạo thành công nano bạc (kích thước 5-20
nm) sử dụng phương pháp mixen đảo. Các tác giả đã tạo ra các sản phẩm ứng dụng như
bình xịt nano bạc, gạc y tế, và khẩu trang tẩm nano bạc [7, 32].
1.110. Nhóm nghiên cứu của tác giả Đặng Mậu Chiến, Đại học Quốc gia - Thành
phố Hồ Chí Minh, đã nghiên cứu chế tạo hạt AgNPs sử dụng phương pháp khử hóa học
dùng polyol. Nghiên cứu thử nghiệm sử dụng AgNPs phủ lên sợi vải cotton, hay mang trên
polyurethan xốp, các sản phẩm đều thể hiện tính năng sát khuẩn tốt trên các chủng vi
khuẩn như E.coli, S.aureus, Coliform, và B. subtillis [2, 29].
1.111. Nhóm nghiên cứu của tác giả Lê Anh Tuấn, Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, đã phát triển thành công các phương pháp mới chế tạo AgNPs thân thiện với môi


trường như kĩ thuật quang hóa có bức xạ UV kích thích và phương pháp phân hủy nhiệt.
Các hạt AgNPs chế tạo được có kích thước trung bình 9-10 nm, phân bố kích thước hẹp,
đạt hiệu lực diệt khuẩn mạnh tại nồng độ bạc rất nhỏ [15, 61, 62]

1.2.1.

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

1.112. CS được đánh giá là một polyme sinh học có tiềm năng ứng dụng to lớn, gần
đây được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ trong chế tạo nanocompozit với AgNPs. Mansor
Bin Ahmad và cộng sự đã chế tạo AgNPs bằng phương pháp khử hóa học, sử dụng chất
khử NaBH kích thước từ 10-17 nm, thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tốt [67]. Ying Zhou và
cộng sự chế tạo thành công CS/AgNPs bằng cách sử dụng phương pháp chiếu xạ gamma
60Co vào dung dịch CS chứa AgNO3 [121]. Nhằm hướng đến công nghệ hóa học xanh
(green synthesis), S. Govindan đã sử dụng CS như một tác nhân khử ion Ag+, đồng thời ổn
định AgNPs tạo thành [100].
1.113. Cơ chế hình thành liên kết giữa AgNPs và CS đồng thời được các tác giả đưa
ra theo 2 giả thiết, giả thiết hình thành phức hợp giữa AgNPs với các nhóm - NH 2 của

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