Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong điều chế dược phẩm đã được công bố ngày càng nhiều. Dưới đây là một số phương pháp điều chế thuốc nano thường được thực hiện và có tiềm năng ứng dụng trong điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam.
Phương pháp kết tập
Kết tập [agglomeration] - còn gọi là kỹ thuật từ dưới lên [bottom-up], đi từ kích thước nhỏ đến kích thước lớn là quá trình liên kết các phần tử kích thước nhỏ [ion, nguyên tử, phân tử hoặc tiểu phân nhỏ] thành các tiểu phân kích thước lớn hơn trong môi trường phân tán nhờ các liên kết hóa lý. Phương pháp kết tập có các kỹ thuật thường sử dụng như khuếch tán dung môi, nhũ hoá bay hơi dung môi, sử dụng CO2 lỏng siêu tới hạn.
Khuếch tán dung môi: Kỹ thuật khuếch tán dung môi tạo nên thuốc nano nhờ thay đổi bản chất của môi trường phân tán. Phương pháp dễ dàng thực hiện, không cần sử dụng nguồn năng lượng cao, nhưng hạn chế của phương pháp là sử dụng các dung môi hữu cơ và việc loại bỏ hoàn toàn các dung môi hữu cơ cũng gây cản trở cho việc nâng cỡ lô trên quy mô sản xuất.
Vận hành quy trình sản xuất nanocurcumin.
Nhũ hóa bay hơi dung môi: Sử dụng quá trình nhũ hóa tạo nhũ tương, sau đó bốc hơi pha dung môi hữu cơ tạo hệ tiểu phân nano. Phương pháp đơn giản, không cần sử dụng nguồn năng lượng cao, tuy nhiên hạn chế của phương pháp là sử dụng các dung môi hữu cơ độc hại đối với môi trường và con người, việc loại bỏ hoàn toàn các dung môi hữu cơ cũng gây cản trở cho việc nâng cỡ lô trên quy mô sản xuất.
Kỹ thuật sử dụng CO2 lỏng siêu tới hạn: Kỹ thuật kháng dung môi siêu tới hạn [supercritical antisolvent, SAS]: Dùng dung môi có thể hỗn hòa với CO2 lỏng siêu tới hạn để hòa tan các thành phần. Do không tan trong CO2 lỏng siêu tới hạn nên khi CO2 lỏng siêu tới hạn ly trích vào dung môi khiến chất tan lập tức kết tập hình thành tiểu phân nano.
Kỹ thuật khuếch trương nhanh từ dung dịch siêu tới hạn [rapid expansion from supercritical solutions, RESS], các thành phần được hòa tan vào CO2 lỏng siêu tới hạn, sau đó, hỗn hợp đi vào vùng có áp suất thấp hơn. Sự thay đổi áp suất đột ngột làm giảm khả năng hòa tan của các thành phần trong CO2 và lập tức bị kết tập tạo hệ tiểu phân nano.
Phương pháp hạn chế được việc sử dụng các dung môi hữu cơ nhưng để thực hiện được cần có thiết bị tạo CO2 lỏng siêu tới hạn.
Ngoài các kỹ thuật kết tập trên, hệ tiểu phân nano còn được tạo thành từ các kỹ thuật kết tập khác: Kỹ thuật tạo hệ tiểu phân từ phản ứng hóa học, từ quá trình polymer hóa, gel hóa, kỹ thuật tạo phức hợp nano nhờ tương tác tĩnh điện học, kỹ thuật tạo hệ tiểu phân nhờ sự thay đổi các điều kiện vật lý như thay đổi nhiệt độ, áp suất, dung môi, pH.
Phương pháp phân tán
Phân tán [dispersion] còn gọi là kỹ thuật từ trên xuống [top-down] đi từ kích thước lớn đến kích thước nhỏ, là quá trình chia nhỏ các tiểu phân kích thước lớn thành tiểu phân kích thước nhỏ hơn trong môi trường phân tán. Phương pháp này có các kỹ thuật thường sử dụng như khuấy tốc độ cao, đồng nhất hoá dưới áp suất cao, đùn ép, nghiền bi.
Khuấy tốc độ cao [rotor-stator]: Kỹ thuật thường sử dụng nhất để tạo thuốc nano nhờ thiết bị khuấy rotor-stator với tốc độ cao từ 10.000 – 24.000 vòng/phút. Kỹ thuật đơn giản, dễ thực hiện và hiện nay đã có thiết bị nâng cỡ lô trên quy mô 50kg.
Đồng nhất hóa dưới áp suất cao: Sử dụng thiết bị đồng nhất hóa dưới áp suất cao, hệ phân tán thô khi đi qua buồng tạo áp suất cao, các tiểu phân trương phồng va chạm sẽ vỡ ra tạo nên hệ tiểu phân nano.
Kỹ thuật đơn giản, dễ thực hiện tạo hệ tiểu phân nano đồng nhất, dễ dàng nâng cỡ lô trên quy mô sản xuất và hiện nay đã có thiết bị nâng cỡ lô trên quy mô 2.000 lít/giờ. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị tạo áp suất cao khá đắt tiền.
Đùn ép: Kỹ thuật chia nhỏ tiểu phân thô khi nén qua hệ thống màng lọc theo kiểu lọc tuyến tính tạo thuốc nano. Kỹ thuật đơn giản, dễ dàng đạt được sự đồng nhất về kích thước và dãy phân bố kích cỡ tiểu phân nano, nhưng khó khăn khi nâng cỡ lô trên quy mô sản xuất lớn do kỹ thuật lọc theo kiểu tuyến tính khá phức tạp.
Nghiền bi: Pha phân tán, môi trường phân tán, chất ổn định và khoảng 40% bi được cho vào thùng quay. Quay thùng theo một chiều, trong quá trình chuyển động, các thành phần trộn lẫn vào nhau kết hợp tạo hệ tiểu phân. Khi chuyển động quay của thùng, dưới tác động của lực ma sát và sự va đập lên nhau giữa các thành phần với bi làm giảm kích thước tiểu phân giúp hình thành hệ tiểu phân nano.
Kỹ thuật đơn giản, dễ dàng nâng cỡ lô trên quy mô sản xuất lớn. Tuy nhiên, kích thước hệ tiểu phân nano khó đạt được sự đồng nhất về dãy phân bố kích cỡ.
Ngoài các kỹ thuật thường gặp trên, một số công nghệ cũng được nghiên cứu sản xuất thuốc nano như kỹ thuật siêu âm, chiếu xạ, hồ quang điện, vi hóa lỏng…
Kết hợp kết tập và phân tán
Trong thực tế, điều chế hệ tiểu phân nano thường kết hợp giữa kỹ thuật kết tập và phân tán. Kết tập tạo hệ tiểu phân thô, sau đó phân tán giảm kích thước để thu được hệ tiểu phân nano. Chẳng hạn, điều chế hệ tiểu phân liposome bằng kỹ thuật tạo lớp màng phim lipid kép rồi hydrat hóa tạo hệ liposome MLV hoặc LUV kích thước ở hàng micromet. Để giảm kích thước xuống hàng nanomet, sử dụng các kỹ thuật phân tán như siêu âm, đùn ép, đồng nhất hóa.
Kỹ thuật làm khô thu tiểu phân nano
Sau khi điều chế hệ phân tán nano, làm khô hệ tiểu phân nano giúp tăng độ bền hóa lý của thuốc nano do hạn chế ảnh hưởng của các tác động môi trường bảo quản, tránh nguy cơ nhiễm khuẩn và thuận tiện cho quá trình vận chuyển.
Kỹ thuật đông khô và phun sấy là hai kỹ thuật hiện đại được sử dụng để làm khô các sản phẩm thuốc nano. Kỹ thuật phun sấy tiết kiệm chi phí hơn so với đông khô nhưng cần dùng thành phần pha phân tán có nhiệt độ tan chảy trên 70oC và sản phẩm thu được có thể bị kết tụ hoặc tan chảy. Chính vì thế, kỹ thuật đông khô được sử dụng rộng rãi hơn khi nghiên cứu sản xuất thuốc nano. Đông khô là quá trình loại nước ra khỏi vật liệu ở điều kiện đông lạnh nhờ thay đổi tiến trình nhiệt độ và áp suất để nước từ trạng thái rắn chuyển trực tiếp sang trạng thái hơi [thăng hoa].
Tóm lại, có rất nhiều công nghệ sản xuất thuốc nano, tuỳ vào điều kiện cụ thể, sản phẩm cụ thể mà nhà sản xuất lựa chọn phương pháp sản xuất phù hợp.
Trang | 4 DƯƠNG THÀNH NHÂNSư phạm Vật lí K31
1.3. Vật liệu nano:
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vậtliệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: Vật liệu nano không chiều cả ba chiều đều có kích thước nano, khơng còn chiều tự do nào cho điện tử, ví dụ: đám nano, hạt nano... Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều, ví dụ: dây nano, ống nano,... Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng nano,... Ngồi ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nanokhơng chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.Vật liệu nano được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp từ trên xuống top–down và phương pháp từ dưới lên bottom–up. Phương pháp từ trên xuốnglà phương pháp tạo hạt kích thước nano từ các hạt có kích thước lớn hơn; phương pháp từ dưới lên là phương pháp hình thành hạt nano từ các nguyên tử. Ở đây ta chỉ chú ý đếnphương pháp kết tủa thuộc phương pháp từ dưới lên là phương pháp được sử dụng để tạo vật liệu nano trong quá trình thực hiện đề tài này.Nguyên lý: dùng kỹ thuật nghiền để biến vật liệu có kích thước lớn về kích thước nano. Đây là các phương pháp đơn giản, rẻ tiền và rất hiệu quả, có thể chế tạo đượcmột lượng lớn vật liệu nhưng tính đồng nhất của vật liệu khơng cao. Trong phương pháp nghiền, vật liệu ở dạng bột được trộn lẫn với những viên bi được làm từ các vật liệu rấtcứng và đặt trong một cái cối. Máy nghiền có thể là nghiền lắc, nghiền rung hoặc nghiền quay nghiền kiểu hành tinh. Các viên bi cứng va chạm vào nhau và phá vỡ bột đến kíchthước nano. Ngồi ra, hiện nay người ta thường dùng các phương pháp quang khắc để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.Trang | 5 DƯƠNG THÀNH NHÂNSư phạm Vật lí K31Nguyên lý: hình thành vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc ion. Phương pháp từ dưới lên được phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh động và chất lượng của sảnphẩm cuối cùng. Phần lớn các vật liệu nano mà chúng ta dùng hiện nay được chế tạo từ phương pháp này. Phương pháp từ dưới lên có thể là phương pháp vật lý, hóa học hoặckết hợp hóa – lý. Một số cách tạo vật liệu nano thuộc phương pháp từ dưới lên là: phương pháp sol – gel, phương pháp kết tủa có hai phương pháp đó là phương pháp kết tủa từdung dịch đồng nhất dưới các điều kiện nhất định và kết tủa từ khí hơi khi một hóa chất ban đầu bị phân li. Ta sẽ chỉ quan tâm đến phương pháp thứ nhất; phương pháp điệnphân, phương pháp ngưng tụ từ pha khí kết hợp hóa – lý. Phương pháp kết tủa từ dung dịch:+ Khi nồng độ của chất đạt đến một trạng thái bão hòa tới hạn, trong dung dịch sẽ xuất hiện đột ngột những mầm kết tụ.+ Các mầm kết tụ đó sẽ phát triển thơng qua q trình khuếch tán của vật chất từ dung dịch lên bề mặt của các mầm cho đến khi mầm trở thành hạt nano.+ Để thu được hạt có độ đồng nhất cao, người ta cần phân tách hai giai đoạn hình thành mầm và phát triển mầm. Trong quá trình phát triển mầm, cần hạn chế sự hình thànhcủa những mầm mới. + Một số phương pháp thuộc phương pháp kết tủa từ dung dịch: Phương pháp đồng kết tủa: Là một trong những phương pháp thường được dùng để tạo các hạt oxit sắt. Hydroxit sắt bị oxy hóa một phần bằng một chất oxyhóa khác hoặc tạo hạt từ Fe2+và Fe3+trong dung mơi nước. Kích thước hạt 4 – 15nm và diện tích bề mặt được điều khiển bằng độ pH và mật độ ion trong dung dịch. Vi nhũ tương microemulsion: Các hạt dung dịch bị bẫy bởi các phân tử chất hoạt hóa bề mặt trong dầu các mixen. Do sự giới hạn về không gian củacác phân tử chất hoạt hóa bề mặt nên sự hình thành, phát triển các hạt nano bị hạn chế và tạo nên các hạt nano rất đồng nhất. Kích thước hạt có thể từ 4 – 12 nm với độ sai kháckhoảng 0.2 – 0.3 nm. Bằng phương pháp này, người ta có thể chế tạo hạt oxyt sắt bao phủ bởi một lớp vàng để tránh oxy hóa và tăng tính tương hợp sinh học. Polyol: là phương pháp thường dùng để tạo các hạt nano kim loại như Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe,... Các hạt nano kim loại được hình thành trực tiếp từ dungdịch muối kim loại có chứa polyol. Polyol có tác dụng như một dung môi hoặc trong mộtTrang | 6 DƯƠNG THÀNH NHÂNSư phạm Vật lí K31 số trường hợp như một chất khử ion kim loại. Hình dạng và kích thước của các hạt nanophụ thuộc vào tốc độ kết tủa của dung dịch thông qua việc điều khiển nhiệt độ dung dịch. Phân ly nhiệt: Sự phân ly của các hợp chất chứa sắt với sự có mặtcủa một chất hoạt hóa bề mặt ở nhiệt độ cao cải thiện đáng kể chất lượng của các hạt nano.Khi một số chất hấp thụ năng lượng thì chúng có khả năng phát ra bức xạ điện từ trong đó có vùng ánh sáng khả kiến. Hiện tượng đó được gọi là sự phát quang. Chú ýrằng không phải mọi sự phát sáng đều là sự phát quang. Chẳng hạn: phản xạ, tán xạ, bức xạ nhiệt cũng là sự phát sáng nhưng chúng không phải là sự phát quang. Để phân biệt,Vavilop đã đưa ra định nghĩa về sự phát quang như sau: Sự phát quang của một chất là sự phát những bức xạ dư ngồi bức xạ nhiệt do chấtđó phát ra và có thời gian phát quang ≥ 10-10s lớn hơn nhiều so với chu kì dao động sáng ~ 10-14s. Tùy vào phương pháp kích thích phát quang, người ta phân chia thành một số dạngphát quang sau: - Quang phát quang Photoluminescence: là sự phát quang xảy ra khi chất phátquang được kích thích bằng bức xạ quang học tia X, UV,..... - Điện phát quang Electroluminescence: là sự phát quang xảy ra khi chất phátquang được kích thích bằng cách đặt nó trong điện trường. - Âm cực phát quang Cathodoluminescence: là sự phát quang xảy ra khi chấtphát quang được kích thích bằng cách chiếu vào nó một chùm electron. - Hóa phát quang Chemiluminescence: là sự phát quang xảy ra khi chất phátquang được kích thích bằng năng lượng lấy từ các phản ứng hóa học sự phát sáng của đom đóm, photpho, cây mục,.....- Phóng xạ phát quang Radioluminescence: là sự phát quang xảy ra khi chất phát quang được kích thích bằng sản phẩm của sự phân rã phóng xạ như cáchạt α, β, γ,.....Chúng ta biết rằng để có sự phát quang tốt, cần nhất là chúng ta phải có nguồn nguyên liệu tốt. Những nghiên cứu về vật liệu và công nghệ huỳnh quang được phát triểntừ rất sớm, thu hút được rất nhiều nhóm nghiên cứu. Một nhân tố quan trọng thúc đẩy sự
Video liên quan