Tài liệu Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tổng hợp vật liệu silic hữu cơ siêu xốp kích thước micronano định hướng ứng dụng trong y sinh dược

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC LÊ THỊ TRÀ GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILIC HỮU CƠ SIÊU XỐP KÍCH THƯỚC MICRO/NANO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH DƯỢC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC HỌC HÀ NỘI - 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y DƯỢC LÊ THỊ TRÀ GIANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU SILIC HỮU CƠ SIÊU XỐP KÍCH THƯỚC MICRO/NANO ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH DƯỢC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH DƯỢC HỌC KHÓA : NGƯỜI HƯỚNG DẪN : QH.2017.Y TS. LÊ THỊ HIÊN ThS.BSNT. HỒ MỸ DUNG HÀ NỘI - 2022 LỜI CẢM ƠN Khóa luận này là kết quả của quá trình học tập, rèn luyện của em tại trường Đại học Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu từ các thầy cô của trường Đại học Y Dược và trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết sâu sắc tới ThS.BSNT. Hồ Mỹ Dung và TS. Lê Thị Hiên - những người cô đã hết lòng tận tình, chỉ bảo em trong quá trình làm khóa luận. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Y Dược học cơ sở, trường Đại học Y Dược và Khoa Công nghệ Nông Nghiệp, trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho em được thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Em xin gửi lời cảm ơn đề tài “Hợp tác nghiên cứu kỹ thuật định lượng một số biomarker ở bệnh nhân bị bệnh võng mạc mắt do đái tháo đường”, mã số nhiệm vụ NĐT.69/CHN/19 – Trường Đại học Y Dược, Đại học Quốc gia Hà Nội đã hỗ trợ để em thực hiện nghiên cứu này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như làm đề tài tốt nghiệp. Trong quá trình làm khóa luận không tránh khỏi thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để khóa luận của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2022 Sinh viên Lê Thị Trà Giang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt APTES BET BSA Tên viết đầy đủ 3-(Aminopropyl)triethoxysilane Brunauer - Emmett - Teller Bovine serum albumin (Albumin huyết thanh bò) BTEE 1,2-Bis(triethoxysilyl)ethane BTME 1,2-Bis(trimethoxysilyl)ethane CTAB Cetyltrimethylammonium bromide FESEM FTIR Field emission scanning electron microscopy (Kính hiển vi điện tử phát xạ trường) Fourier transform infrared spectroscopy (Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) PBS Phosphate buffer solution PMO Periodic mesoporous organosilica (Silic hữu cơ siêu xốp rỗng cấu trúc tuần hoàn) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Danh mục các hóa chất chính dùng trong luận án ...................................17 Bảng 2.2. Danh mục các thiết bị chính dùng trong luận án......................................17 Bảng 2.3. Danh mục các vật tư, dụng cụ thí nghiệm chính dùng trong luận án.......18 Bảng 2.4. Ký hiệu các mẫu vật liệu tổng hợp trong luận án ....................................23 Bảng 2.5. Nồng độ BSA để khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu PMO .......26 Bảng 3.1. Khối lượng các vật liệu PMO tổng hợp được ..........................................27 Bảng 3.3. Các đặc trưng của vật liệu PMO ..............................................................32 Bảng 3.4. Nồng độ BSA đo được tại các điểm nồng độ ban đầu khác nhau ............33 Bảng 4.1. So sánh các đặc trưng của vật liệu trong nghiên cứu này, trong nghiên cứu của Qian 37 và trong nghiên cứu của Zhu 40 ..............................................................38 DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu trúc của vật liệu PMO 11 ......................................................................4 Hình 1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 14 ..................................................5 Hình 1.3. Cấu trúc một số tiền chất trong tổng hợp PMO .........................................6 Hình 1.4. Bốn con đường tổng hợp PMO: (1) một tiền chất, (2) hơn hai tiền chất với nhóm chức hữu cơ khác nhau, (3) tiền chất với nhóm hữu cơ lơ lửng và (4) biến đổi tiếp PMO khi vừa tổng hợp xong bởi một chất hóa học xử lý phân tử hữu cơ 17 .......7 Hình 1.5. Sự thủy phân và ngưng tụ của organosilanes tạo thành silsesquioxane 18 .7 Hình 1.6. Cấu trúc và hình dạng của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch nước phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt 19 ...............................................................8 Hình 1.7. Quá trình tổng hợp PMO từ tiền chất silic hữu cơ 20..................................8 Hình 1.8. Hình thái của lỗ rỗng khi sử dụng silica hữu cơ với các cầu nối lần lượt là methylene, ethylene, ethenylene, phenylene 21 ...........................................................9 Hình 1.9. Vị trí của các cầu nối hữu cơ ở vật liệu PMO 23 ......................................10 Hình 1.10. Phương pháp để cố định protein trên giá đỡ và các lực tương tác giữa protein và giá đỡ trong qua trình cố định protein 25 ..................................................11 Hình 1.11. Ảnh hưởng của pH đến các tương tác và lượng hấp phụ trong quá trình cố định 32 ...................................................................................................................14 Sơ đồ 2.1. Tổng hợp nano PMO trung tính ..............................................................19 Sơ đồ 2.2. Tổng hợp nano PMO amin ......................................................................20 Sơ đồ 2.3. Tổng hợp micro PMO trung tính .............................................................21 Sơ đồ 2.4. Tổng hợp micro PMO trung tính .............................................................22 Hình 2.1. Cơ chế hoạt động của máy nanodrop .......................................................25 Hình 3.1. Cảm quan của các vật liệu PMO sau khi sấy khô: a.PMO trung tính; b. PMO amin .................................................................................................................27 Hình 3.2. Phổ FTIR của các mẫu nanoPMO. ...........................................................28 Hình 3.3. Phổ FTIR của các mẫu nanoPMO amin. ..................................................28 Hình 3.4. Phổ FTIR của mẫu microPMO. ................................................................29 Hình 3.5. Phổ FTIR của mẫu microPMO .................................................................29 Hình 3.6. Ảnh FESEM của mẫu nanoPMO trung tính. ............................................30 Hình 3.7. Ảnh FESEM của mẫu nanoPMO amin ....................................................30 Hình 3.8. Hình ảnh FESEM mẫu microPMO trung tính. .........................................31 Hình 3.9. Hình ảnh FESEM microPMO amin .........................................................31 Đồ thị 3.1. Đường đẳng nhiệt hấp phụ N2: a. nanoPMO; b. microPMO .................32 Đồ thị 3.2. Đường chuẩn nồng độ BSA phụ thuộc vào độ hấp thụ ..........................33 Đồ thị 3.3. Lượng BSA hấp phụ vào 4 vật liệu PMO: MPT3, MPA3, NPT, NPA1. ...................................................................................................................................34 Đồ thị 3.4. Lượng BSA hấp phụ lên 4 vật liệu PMO: MPT3, MPA3, NPT, NPA1 theo nồng độ BSA ban đầu. ..............................................................................................35 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN....................................................................................3 1.1. Tổng quan về vật liệu silic hữu cơ siêu xốp .....................................................3 1.1.1. Vật liệu nano silica siêu xốp.......................................................................3 1.1.2. Cấu trúc và tính chất của vật liệu silic hữu cơ siêu xốp .............................3 1.1.3. Các phương pháp tổng hợp silic hữu cơ siêu xốp ......................................4 1.1.4. Hình thái của silic hữu cơ siêu xốp rỗng ....................................................9 1.2. Ứng dụng của vật liệu silic hữu cơ siêu xốp trong y sinh ..............................10 1.2.1. Cố định các phân tử sinh học ...................................................................10 1.2.2. Làm giàu các phân tử sinh học .................................................................14 1.2.3. Vai trò chất xúc tác sinh học ....................................................................15 1.2.4. Vai trò phân phối thuốc ............................................................................15 CHƯƠNG 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................17 2.1. Thiết bị, hóa chất, vật tư nghiên cứu ..............................................................17 2.1.1. Hóa chất thí nghiệm .................................................................................17 2.1.2. Thiết bị thí nghiệm ...................................................................................17 2.1.3. Vật tư, dụng cụ thí nghiệm .......................................................................18 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................18 2.2.1. Phương pháp tổng hợp silic hữu cơ siêu xốp kích thước nanomet ..........18 2.2.2. Phương pháp tổng hợp silic hữu cơ siêu xốp kích thước micromet .........20 2.3. Phương pháp xác định tính chất đặc trưng của vật liệu ..................................23 2.3.1. Phương pháp xác định hình thái học của vật liệu.....................................23 2.3.2. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ rỗng, kích thước lỗ rỗng của vật liệu .............................................................................................24 2.4. Phương pháp xác định tương tác của BSA trên vật liệu .................................25 CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ .......................................................................................27 3.1. Kết quả tổng hợp vật liệu PMO ......................................................................27 3.1.1. Khối lượng các vật liệu PMO ...................................................................27 3.1.2. Thành phần nhóm chức ............................................................................27 3.1.3. Hình thái học của vật liệu .........................................................................30 3.1.4. Thông số đặc trưng ...................................................................................32 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ protein Bovine serum albumin (BSA) lên PMO 33 3.2.1. Sự hấp phụ BSA lên PMO theo thời gian ................................................34 3.2.2. Sự hấp phụ BSA của các vật liệu PMO theo nồng độ BSA ban đầu .......35 CHƯƠNG 4 – BÀN LUẬN .....................................................................................36 4.1. Về kết quả tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu PMO .......................................36 4.1.1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu microPMO ........................................36 4.1.2. Đặc trưng của nanoPMO và microPMO ..................................................37 4.2. Về kết quả khảo sát sự hấp phụ protein của vật liệu PMO .............................39 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................43 MỞ ĐẦU Kể từ bài giảng với tựa đề “Còn rất nhiều khoảng trống ở phía dưới” của Richard Feynman, người đoạt giải Nobel nổi tiếng vào năm 1959, khái niệm công nghệ nano đã ảnh hưởng đến tất cả các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau liên quan đến hóa học, vật lý, điện tử, khoa học vật liệu và khoa học y sinh. Cho đến nay, công nghệ nano vẫn là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Việc tích hợp công nghệ nano vào các ngành, lĩnh vực đã cung cấp các giải pháp đột phá cho nhiều vấn đề như môi trường, y tế và công nghiệp hiện nay, bao gồm vật liệu micro/nano, điện tử, phân phối thuốc, năng lượng, công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, an ninh quốc gia. Công nghệ nano đang có tác động sâu sắc đến nền kinh tế - xã hội, được coi là một cuộc cách mạng công nghiệp hiện đại và tạo ra một xu hướng nghiên cứu mới mang lại sự đổi mới, đột phá 1,2. Vật liệu nano là một sản phẩm của công nghệ nano được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Một trong những lĩnh vực có nhiều triển vọng ứng dụng vật liệu micro/nano nhất đó là y học 3,4. Vật liệu nano có cấu trúc lỗ xốp đã thu hút được nhiều quan tâm từ các nhà nghiên cứu do vật liệu này có không gian trống lớn bên trong giúp chúng có các đặc tính cải tiến và mới lạ. Vì vậy, vật liệu này làm tăng hiệu suất đáng kể trong nhiều ứng dụng như y học, hóa học xúc tác, năng lượng,... Trong số các loại vật liệu có cấu trúc lỗ xốp, silic hữu cơ siêu xốp cấu trúc tuần hoàn (PMO) đã thu hút nhiều sự chú ý do các khung vật liệu lai hữu cơ-vô cơ độc đáo, trong đó các nhóm hữu cơ chức năng được kết hợp đồng nhất hoặc cộng hóa trị trên thành lỗ xốp ở cấp độ phân tử. Các ứng dụng trong y sinh thường gặp của vật liệu nano silica siêu xốp là: chất xúc tác sinh học, cố định hay làm giàu các phân tử sinh học, phân phối thuốc 5,6. Để phân tách hoặc làm giàu các phân tử sinh học trong hệ thống sinh học, vật liệu nano siêu xốp với cấu trúc lỗ và kích thước lỗ phù hợp được thiết kế với mục đích các protein kích thước nhỏ hoặc peptide có thể đi vào trong lỗ và các protein lớn sẽ bị rửa trôi. Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp vật liệu silic hữu cơ siêu xốp phục vụ cho y sinh. Tuy nhiên tại Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về tổng hợp các loại vật liệu silic hữu cơ siêu xốp rỗng cũng như ứng dụng của chúng trong y sinh. PMO đã cho thấy triển vọng trong nhiều lĩnh vực nhờ vào các đặc trưng của nó. Nhằm tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu này ứng dụng trong sinh học và y dược, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu silic hữu cơ siêu xốp kích thước micro/nano định hướng ứng dụng trong y sinh dược” với hai mục tiêu: 1 - Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu silic hữu cơ siêu xốp rỗng kích thước - micromet và nanomet. Khảo sát khả năng tương tác của albumin huyết thanh bò lên các vật liệu đã tổng hợp. 2 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về vật liệu silic hữu cơ siêu xốp 1.1.1. Vật liệu nano silica siêu xốp Công nghệ nano là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô nanomet. Khoa học nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp (manipulation) vào vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng khá rộng, từ vài nanomet (nm) đến vài trăm nanomet hoặc từ vài micromet (µm) đến vài trăm micromet. Silica hữu cơ siêu xốp cấu trúc tuần hoàn (PMO) được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1999. PMO là vật liệu lai hữu cơ - vô cơ với sự xuất hiện cầu nối của silica vô cơ và nhóm chức hữu cơ vì vậy chúng được tổng hợp từ tiền chất là silic hữu cơ. PMO làm nâng cao đặc tính lý hóa và tương thích sinh học so với vật liệu silica thông thường. Không giống như vật liệu silica, PMO có thể điều chỉnh hiệu ứng bề mặt (tính ưa nước/ tính kỵ nước) và các đặc tính vật lý (hình thái, độ xốp) cũng như ổn định cơ học nhờ sự liên kết của các nhóm chức hữu cơ thuộc lỗ rỗng. Do đó, PMO đã thu hút sự quan tâm ngày càng lớn trong các lĩnh vực như sinh học và y sinh 7,8. PMO được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với sự có mặt của chất định hướng cấu trúc. Quá trình tổng hợp gồm hai phản ứng: phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ nhóm hữu cơ liên kết cộng hóa trị với nguyên tử silic của tiền chất là silic hữu cơ. Các silica có nguồn gốc hữu cơ này là tối ưu để tổng hợp PMO thông qua các mixen 6,9. 1.1.2. Cấu trúc và tính chất của vật liệu silic hữu cơ siêu xốp Vật liệu nano/micro PMO là vật liệu silic hữu cơ cấu trúc lỗ xốp tuần hoàn có kích thước hạt cỡ nanomet hoặc micromet và kích thước lỗ cỡ nanomet. Một vật liệu rỗng xốp bao gồm các thành phần chính như lỗ rỗng (pore), khung (framework). Trên phần khung hoặc trong lỗ rỗng vật liệu chứa các cầu nối lai vô cơ – hữu cơ 10. 3 Hình 1.1. Cấu trúc của vật liệu PMO 11 Vật liệu nano/micro PMO được đặc trưng bởi các thông số như: diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ, kích thước lỗ. Những thông số này được đo và tính toán từ đường đẳng nhiệt hấp phụ khí nitơ. Kích thước của lỗ xốp được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính của lỗ xốp. Theo tiêu chuẩn của IUPAC thì kích thước lỗ xốp được chia ra làm ba loại: micropore có kích thước bé hơn 2 nm, mesopore có kích thước từ 2-50 nm và macropore có kích thước từ 50 nm trở lên 12. Đối với PMO, lỗ xốp có kích thước từ 2-50 nm (thuộc loại mesopore). Diện tích bề mặt riêng được tính bằng m²/g, cho biết khả năng hấp phụ vật liệu. Diện tích bề mặt của PMO thường cao hơn so với các vật liệu silica khác, diện tích bề mặt cao nhất của PMO từng được báo cáo là 1880 m2/g vẫn thấp hơn nhiều so với các loại vật liệu xốp khác, chẳng hạn như cacbon vi xốp (2000 - 5000 m2/g). Diện tích bề mặt này bị ảnh hưởng bởi mức độ trùng hợp của vật liệu, điều này phụ thuộc vào các yếu tố như pH của dung môi và tỷ lệ các chất phản ứng. Khi tăng pH dung môi sang tính kiềm thì kích thước hạt tăng dẫn đến diện tích bề mặt riêng giảm 13. 1.1.3. Các phương pháp tổng hợp silic hữu cơ siêu xốp Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp chính: phương pháp từ trên xuống (top-down) và phương pháp từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống là phương pháp tạo hạt có kích thước micro/nano từ kích thước lớn hơn trong khi đó phương pháp từ dưới lên là hình thành hạt micro/nano từ các nguyên tử (kích thước angstrom). Phương pháp từ trên xuống bao gồm các kỹ thuật như nghiền, nghiền bi năng lượng cao (high-energy ball milling), in thạch bản, hợp kim cơ học, lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) và lắng đọng pha hơi vật lý (PVD),... Phương pháp từ dưới lên chủ yếu được thực hiện bằng con đường hóa học như sol – gel, thủy nhiệt, đồng kết tủa, epitaxy chùm phân tử,.... Ngoài ra, tổng hợp PMO còn được phân loại dựa vào các con đường khác nhau như con đường vật lý, hóa học, cơ học, sinh học được minh họa ở Hình 1.2. 4 Hình 1.2. Các phương pháp chế tạo vật liệu nano 14 Vật liệu PMO chủ yếu được tổng hợp bằng phương pháp sol – gel. Sol (dung dịch keo) là hệ phân tán các hạt rắn kỵ dung môi có kích thước từ 1-100 nanomet trong pha lỏng. Sol khác với aerosol là hệ phân tán các hạt rắn trong pha khí và khác với nhũ tương là hệ phân tán các hạt lỏng trong pha lỏng khác. Gel là hệ phân tán vi dị thể bao gồm một mạng lưới pha rắn liên kết chặt chẽ với nhau được bao quanh bởi một pha lỏng liên tục. Mạng lưới pha rắn này được tạo thành từ sự không bền của các hạt sol do giảm tương tác đẩy giữa các hạt hoặc do biến đổi bề mặt hạt trong môi trường lỏng hoặc bởi liên kết cầu nối giữa các cluster polyme. Quá trình sol-gel là quá trình mà sol được chuyển thành gel bởi sự hình thành mạng lưới không gian trong toàn bộ môi trường pha lỏng. Dùng phương pháp sol-gel để tổng hợp các hạt nano do phương pháp này có rất nhiều ưu điểm nổi bật như: vật liệu được tổng hợp ở nhiệt độ thấp, chế tạo được vật liệu lai hoá vô cơ - hữu cơ, dễ pha tạp, chế tạo được các vật liệu có hình dạng khác nhau như bột, khối, màng, sợi và vật liệu có cấu trúc nano/micro, có thể điều khiển được độ xốp và độ bền cơ học thông qua việc xử lý nhiệt, hoá chất sử dụng thường là không độc. Phương pháp sol - gel có ba cách tiếp cận để tạo ra khối sol - gel. Phương pháp 1: gel hóa dung dịch keo, phương pháp 2: thủy phân và ngưng tụ tiền chất sau đó sấy khô siêu tới hạn gel, phương pháp 3: thủy phân và ngưng tụ tiền chất tiếp theo là lão hóa cuối cùng làm khô trong không khí. Silica gel có thể được tạo thành từ các hạt keo rời rạc (phương pháp 1) hoặc bằng cách hình thành mạng lưới liên kết 3D nhờ vào sự thủy phân và sự ngưng tụ của tiền chất (phương pháp 2 và 3). Gel được hiểu là khi nước được loại hết hoàn toàn 15. 5 Vật liệu PMO thường được điều chế bằng phương pháp sol-gel trong dung dịch nước 16. Quá trình tổng hợp bao gồm quá trình thủy phân và ngưng tụ silic hữu cơ trong dung dịch nước dưới xúc tác bazo hoặc axit. Đặc điểm chính của tổng hợp PMO là trùng hợp silica hữu cơ với cầu nối là một nhóm hữu cơ thay vì cầu nối là đầu chất này và đuôi chất kia. Nguyên liệu để tổng hợp PMO thường bao gồm tiền chất, chất hoạt động bề mặt. Tiền chất là silica hữu cơ như 1,2Bis(triethoxysilyl)ethane (BTEE), 1,2-Bis(trimethoxysilyl)ethane (BTME). Tiền chất silica hữu cơ có công thức chung là [(R1O)3Si]n –R, trong đó R là một nhóm hữu cơ, n ≥ 1, R1 có thể cấu tạo từ các đơn vị đơn giản: methylen, ethylen, ethenylene, phenylen,… đến các đơn vị phức tạp hơn mang các nhóm chức khác nhau: thiol, nhóm bất đối, phức kim loại, dị vòng,...8. Chất hoạt động bề mặt là chất định hướng cấu trúc, làm khuôn trong quá trình tổng hợp PMO, hay dùng nhất là Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB). BTEE BTME Hình 1.3. Cấu trúc một số tiền chất trong tổng hợp PMO Bốn con đường để tổng hợp các PMO có cấu trúc khác nhau từ các tiền chất silic hữu cơ 17. 6 Hình 1.4. Bốn con đường tổng hợp PMO: (1) một tiền chất, (2) hơn hai tiền chất với nhóm chức hữu cơ khác nhau, (3) tiền chất với nhóm hữu cơ lơ lửng và (4) biến đổi tiếp PMO khi vừa tổng hợp xong bởi một chất hóa học xử lý phân tử hữu cơ 17 Trong môi trường cơ bản, phản ứng silanolates xảy ra, nhóm (- Si - O-) ngưng tụ với tiền chất để tạo thành liên kết siloxan cộng hóa trị (Si - O - Si) và tiếp tục ngưng tụ làm oligome lớn dần. Tiếp theo, phản ứng sol-gel tạo ra khung silsesquioxane (ví dụ O1,5Si - R – SiO1,5) 18. Hình 1.5. Sự thủy phân và ngưng tụ của organosilanes tạo thành silsesquioxane 18 7 Tuy nhiên, để thu được vật liệu xốp rỗng PMO, chất hoạt động bề mặt được thêm vào. Trong trường hợp tạo khuôn bằng CTAB, khi nồng độ chất hoạt động bề mặt dưới nồng độ micelle tới hạn (CMC), các chất hoạt động bề mặt có xu hướng hấp phụ như một lớp đơn ở bề mặt phân cách nước và không khí. Ở nồng độ trên CMC, chúng tạo ra các mixen hình cầu. Với sự gia tăng hơn nữa về nồng độ của chất hoạt động bề mặt, các mixen hình cầu trở thành hình que và ở nồng độ cao hơn nữa, các mixen hình lục giác được hình thành 19. Lớp đơn hấp phụ Mixen hình lục Mixen hình cầu Mixen hình que giác Tấm Theo chiều tăng của nồng độ chất hoạt động bề mặt Hình 1.6. Cấu trúc và hình dạng của chất hoạt động bề mặt trong dung dịch nước phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt 19 Môi trường mà silica hữu cơ thủy phân và ngưng tụ thiên về hiệu ứng tạo khuôn vì silanes tích điện âm ( -Si - O-)- bị hút vào micelle CTAB (- N+ (CH3)3) tích điện dương. Sau đó, chất hoạt động bề được loại bỏ thông qua quá trình chiết tách. Quá trình tổng hợp và chiết xuất liên quan đến các điều kiện nhiệt độ và pH phải phù hợp với tính ổn định hóa học của các cầu nối hữu cơ. Hình 1.7. Quá trình tổng hợp PMO từ tiền chất silic hữu cơ 20 8 1.1.4. Hình thái của silic hữu cơ siêu xốp rỗng Hình thái của PMO phụ thuộc vào hình thái mixen được tạo thành. Tùy thuộc vào chất hoạt động bề mặt và nồng độ của chúng mà mixen sẽ có hình thái khác nhau. Khi sử dụng CTAB thì hình thái mixen thay đổi theo chiều tăng nồng độ CTAB là dạng cầu, dạng trụ, dạng lục giác, dạng phiến tương ứng với hình thái của PMO được tạo thành là: hình cầu, hình trụ, hình lục giác, hình phiến. Sự phân bố các nhóm hữu cơ trong vật liệu có tác động quan trọng đến kích thước, độ xốp và hình thái của vật liệu lai vô cơ – hữu cơ. Mật độ các nhóm hữu cơ lớn có thể cản trở sự hình thành độ xốp trong vật liệu. Tổng hợp PMO từ các silica hữu cơ với cầu nối hữu cơ là methylene, ethylene, ethenylene, phenylene sẽ tương ứng tạo ra cấu trúc lỗ rỗng hình lục giác (P63/mmc), hình lập phương ( Pm3n), lục lăng ( P6mm ) và hình giun (Wormlike) 21. Hình 1.8. Hình thái của lỗ rỗng khi sử dụng silica hữu cơ với các cầu nối lần lượt là methylene, ethylene, ethenylene, phenylene 21 Vị trí của các cầu nối hữu cơ có thể là trong lỗ rỗng hoặc thành lỗ. Các vị trí này chủ yếu phụ thuộc vào tính ưa nước/tính kỵ nước của tiền chất. Nếu tiền chất quá kỵ nước, cầu nối hữu cơ có thể nằm trong lỗ rỗng mà không phải nằm ở thành lỗ rỗng và ngược lại 22. Cầu nối hữu cơ nằm trên thành lỗ (Hình 1.9E) và nằm cả trên thành lỗ và trong lỗ (Hình 1.9F). 9 Hình 1.9. Vị trí của các cầu nối hữu cơ ở vật liệu PMO 23 1.2. Ứng dụng của vật liệu silic hữu cơ siêu xốp trong y sinh Hiện nay, vật liệu nano được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y sinh học, năng lượng, môi trường, công nghệ thông tin, quân sự, điện tử - cơ khí,... Trong lĩnh vực y sinh, PMO được coi là một loại vật liệu nano đầy hứa hẹn cho các ứng dụng tiềm năng như chất xúc tác sinh học, phân tách hay làm giàu các phân tử sinh học, phân phối thuốc 24. 1.2.1. Cố định các phân tử sinh học PMO với các nhóm hữu cơ được phân bố đồng nhất để kiểm soát tính chất hóa học, vật lý và tính chất cơ học của những vật liệu. Các liên kết chính trong sự hấp phụ các phân tử sinh học trên vật liệu PMO là lực tĩnh điện, lực Van der Waals yếu và liên kết hydro. Năm 2005, sử dụng PMO để cố định protein / enzyme được báo cáo lần đầu tiên. Hudson và cộng sự đã tiến hành cố định cytochrome c (cyt-c ) trên hai chất hấp phụ: SBA-15 và etan-PMO, hai vật liệu này có tính chất vật lý tương tự nhưng thành phần hóa học khác nhau. Sự hấp phụ cyt-c của SBA-15 lớn hơn so với etan-PMO cho thấy tương tác tĩnh điện trong SBA-15 chiếm ưu thế hơn tính kỵ nước yếu trong etan-PMO. Một nghiên cứu khác về cố định cyt-c trên một PMO với kích thước lỗ lớn, hình que đã được thực hiện và cho thấy khả năng hấp phụ cyt-c của nó không cao hơn nhiều so với vật liệu silica có hình thái và cấu trúc lỗ giống hệt do sự hấp thụ sinh học này chủ yếu phụ thuộc vào lực tĩnh điện và tính kỵ nước 8. 1.2.1.1. Phương pháp cố định protein Sự cố định của protein trên các giá đỡ khác nhau có thể được thực hiện bằng ba cách chính: liên kết cộng hóa trị, hấp phụ và vi bao/nhốt giữ. Hình 1.10 mô tả tổng quan về các cách tiếp cận khác nhau và tương tác tương ứng giữa chất mang và enzyme. 10 Hình 1.10. Phương pháp để cố định protein trên giá đỡ và các lực tương tác giữa protein và giá đỡ trong qua trình cố định protein 25 Cố định protein trong các vật liệu xốp bằng phương pháp bao bọc làm giảm sự rửa trôi do tạo ra các rào cản vật lý. Quá trình vi nang (Microencapsulation) và lồng vào kênh (channel entrapment) được thực hiện như một bước tổng hợp thứ hai sau quá trình cố định của protein, trong khi nhốt giữ protein bằng gel (gel entrapment) được thực hiện đồng thời với quá trình cố định và tổng hợp vật chất 25. Phương pháp nhốt giữ bằng gel là nhốt giữ phân tử protein giữa các khe của các cấu trúc gel liên kết chéo và không tan trong nước. Liên kết chéo (cross-linking) của các protein bên trong lỗ rỗng của vật liệu xốp tạo ra các tập hợp protein liên kết chéo với kích thước quá lớn để thoát ra khỏi hệ thống lỗ rỗng này. Phương pháp vi bao/nhốt giữ thường không được thực hiện trong điều kiện protein tối ưu và có thể dẫn đến hư hỏng cấu trúc 3 chiều. Ngoài ra, việc bao bọc có thể bịt kín các lỗ rỗng trên bề mặt vật liệu xốp và hạn chế sự khuếch tán của các sản phẩm, chất nền hoặc đồng yếu tố 26. Cố định protein bằng liên kết cộng hóa trị sẽ hình thành liên kết bền vững giữa protein và chất mang, do đó protein có thể tránh được các điều kiện khắc nghiệt như phân hủy. Protein cố định bằng phương pháp này thường rất bền, có thể dùng được trong vài tháng hoặc bảo quản trong nhiều năm. Liên kết cộng hóa trị trở thành một phương pháp quan trọng để thiết kế chất xúc tác sinh học cho các ứng dụng công nghiệp, vì sự ổn định của các enzym là bắt buộc đối với các ứng dụng trong lò phản 11