nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu khung cơ kim trên cơ sở feiii theo quy trình hóa học xanh định hướng ứng dụng mang dược chất

Vật liệu khung cơ kim có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp nhiệt dung môi, phương pháp vi sóng, phương pháp cơ hóa học, phương pháp hồi lưu, phương pháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

LÊ THANH BẮC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU KHUNG CƠ KIM TRÊN CƠ SỞ Fe(III) THEO QUY TRÌNH HÓA HỌC XANH

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG MANG DƯỢC CHẤT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

LÊ THANH BẮC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU KHUNG CƠ KIM TRÊN CƠ SỞ Fe(III) THEO QUY TRÌNH HÓA HỌC XANH

ĐỊNH HƯỚNGỨNG DỤNG MANG DƯỢC CHẤT

Ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 9520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Nguyễn Thị Hoài Phương 2 PGS TS Lã Đức Dương

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

Hà Nội, ngày tháng năm 2024

Tác giả luận án

Lê Thanh Bắc

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Hóa học-Vật liệu/ Viện KH-CN quân sự/ Bộ Tổng Tham mưu

Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị Hoài Phương và PGS.TS Lã Đức Dương đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và luôn giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CN quân sự, Phòng Đào tạo/ Viện KH-CN quân sự, Viện Hóa học-Vật liệu đã luôn tạo điều kiện để giúp đỡ nghiên cứu sinh thực hiện luận án

Chân thành cảm ơn các thầy, cô, các nhà khoa học của Viện Hóa học-Vật liệu/ Viện KH-CN quân sự đã giảng dạy, góp ý, trao đổi các nội dung khoa học, cảm ơn bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã hỗ trợ để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này

Xin chân thành cảm ơn!

NCS Lê Thanh Bắc

1.1 Vật liệu khung cơ kim 5

1.1.1 Khái niệm về vật liệu khung cơ kim 5

1.1.2 Một số ứng dụng của vật liệu khung cơ kim 6

1.1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu khung cơ kim 10

1.1.4 Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe 15

1.2 Phương pháp hóa học xanh trong tổng hợp vật liệu khung cơ kim 17

1.2.1 Khái niệm về hóa học xanh 17

1.2.2 Một số tiêu chí hóa học xanh trong tổng hợp vật liệu khung cơ kim 19

1.2.3 Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe tổng hợp theo quy trình xanh 21

1.3 Vật liệu mang thuốc 22

1.3.1 Một số vật liệu làm chất mang thuốc 22

1.3.2 Vật liệu khung cơ kim mang thuốc 26

1.3.3 Một số phương pháp tải thuốc 29

1.3.4 Một số cơ chế tải thuốc của vật liệu 31

1.3.5 Một số cơ chế giải phóng hoạt chất trong cơ thể 34

1.4 Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe làm chất mang thuốc 38

1.4.1 Độ an toàn 39

1.4.2 Độ ổn định 40

1.4.3 Dung lượng mang 41

1.4.4 Khả năng kiểm soát giải phóng thuốc 42

Chương 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52

2.1 Hóa chất và thiết bị thí nghiệm 52

2.2.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp vật liệu khung cơ kim MIL-100(Fe) bằng phương pháp siêu âm 54

2.3 Phương pháp, kỹ thuật nghiên cứu 55

2.3.1 Phương pháp xác định đặc trưng vật liệu 55

2.3.2 Phương pháp đánh giá hiệu suất phản ứng 56

2.3.3 Phương pháp xác định nồng độ dung dịch cloroquin phôt phat 57

2.3.4 Phương pháp hấp thụ nguyên tử AAS 58

2.4 Khảo sát khả năng mang thuốc của vật liệu 58

2.4.1 Khảo sát tốc độ mang thuốc của vật liệu 58

2.4.2 Khảo sát dung lượng tải thuốc của vật liệu 60

2.5 Khảo sát khả năng giải phóng thuốc của vật liệu ở các môi trường khác nhau 62

2.5.1 Đánh giá độ bền của vật liệu trong các môi trường pH khác nhau 62

2.5.2 Đánh giá khả năng giải phóng thuốc của vật liệu 62

2.6 Phương pháp đánh giá hoạt tính và độc tính 62

2.6.1 Đánh giá hoạt tính của vật liệu mang thuốc 62

2.6.2 Đánh giá độc tính cấp 64

2.6.3 Đánh giá độc tính bán trường diễn 65

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 67

3.1 Tổng hợp vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) với các axit hữu cơ khác nhau 67

3.2 Tổng hợp vật liệu khung cơ kim MIL-100(Fe) theo các phương pháp khác nhau 73

3.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp vật liệu khung cơ kim MIL-100(Fe) bằng phương pháp siêu âm 78

3.4 Đặc trưng tính chất của vật liệu MIL-100(Fe) 88

3.4.1 Hình thái học của vật liệu 89

3.4.2 Đặc trưng cấu trúc của vật liệu 91

3.4.3 Tính chất xốp của vật liệu 93

3.5 Khả năng mang tải thuốc của vật liệu 94

3.5.1 Đánh giá tốc độ hấp phụ thuốc của vật liệu 94

3.5.2 Đánh giá dung lượng mang thuốc của vật liệu 97

3.5.3 Đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu sau khi mang thuốc 103

3.6 Khả năng giải phóng thuốc của vật liệu 107

3.6.1 Độ bền của vật liệu trong môi trường sinh học 107

3.6.2 Đánh giá khả năng giải phóng dược chất theo nhiệt độ và pH 110

3.7 Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong y sinh học 115

3.7.1 Đánh giá độc tính của vật liệu 116

3.7.2 Đánh giá hoạt tính của thuốc sau khi mang lên vật liệu 122

3.7.3 Đánh giá độc tính cấp của vật liệu mang thuốc 124

KẾT LUẬN 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A549 Tế bào ung thư biểu mô đáy phế nang ở người

(Adenocarcinomic human alveolar basal epithelial cells)

ALT Một loại endym gan (Alanine aminotransferase) AST Chỉ số men gan (Aspartate transaminase)

Caco-2 Tế bào ung thư biểu mô tuyến đại trực tràng không đồng nhất ở người (Immortalized cell line of human colorectal

DDS Hệ mang dẫn thuốc (Drug delivery system) DLE Hiệu suất tải thuốc (Drug loading efficiency)

DLS Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering)

DMEM Môi trường nuôi cấy tế bào (Dulbecco's modified Eagle's

DU-145 Tế bào ung thư tuyến tiền liệt

EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

FTIR Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

H2BDC Axit terephtalic (1,4-benzendicarboxylic acid) H2BDC-NH2 Axit 2-Aminoterephthalic

H3BTC Axit Trimesic acid (1,3,5-Benzenetricarboxylic acid) H4ATC Axit azobenzenetetracarboxylic 3,3 ′, 5,5 ′

HA-PDA Axit hyaluronic biến tính polydopamine (PDA-incorporated HA)

HCT Tỷ lệ hồng cầu (Hematocrit)

HDW Độ phân bố nông độ hemoglobin (Hemoglobin distribution width)

HeLa Tế bào ung thư cổ tử cung

HepG2 Tế bào ung thư biểu mô gan ở người (Human liver cancer cell line)

HKUST-1 Vật liệu khung cơ kim mang tên đại học khoa học và công nghệ Hồng Kông (Hong Kong University of Science and Technology)

HL-7702 Tế bào gan người (Human Liver cell line) HT-29 Tế bào biểu mô tuyến ruột

HUVEC Tế bào nội mô tĩnh mạch rốn

IRMOF Vật liệu khung cơ kim đẳng hướng (Isoreticular metal organic framework)

K1 Ký sinh trùng sốt rét plasmodium falciparum

L929 Tế bào nguyên sợi trên chuột

MCF-7 Tế bào ung thư vú (Breast cancer cell)

MCHC Nồng độ hemoglobin (Mean Corpuscular Hemoglobin Concentration)

MCV Thể tích tế bào máu (Mean Corpuscular Volume)

MEM Môi trường nuôi cấy tế bào (Modified Eagle's medium) MIL Vật liệu khung cơ kim mang tên đại học Lavoisier

(Material Institute Lavoisier)

MOFs Khung kim loại-hữu cơ (Metal–organic framework) MPV Thể tích trung bình tiểu cầu (Mean platelet volume)

PBS Muối đệm phốt phát (Phosphate-buffered saline) PI Chất nhuộm tế bào (Propidium iodide)

RDW Độ phân bố hồng cầu (Red cell Distribution With)

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SKOV3 Tế bào ung thư biểu mô buồng trứng

SNB-19 Dòng tế bào thần kinh đệm SW480 Tế bào ung thư đại trực tràng

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron

VOC Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction)

ZIF Vật liệu khung zeolite (Zeolitic imidazolate frameworks)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs 14 Bảng 1.2 Một số vật liệu MOFs mang thuốc 27 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất chính 52 Bảng 3.1 Hiệu suất phản ứng của quá trình tổng hợp vật liệu theo các

axit khác nhau 67 Bảng 3.2 Các thông số đặc trưng xốp của các mẫu vật liệu khác nhau 72 Bảng 3.3 Các thông số đặc trưng xốp của vật liệu MIL-100(Fe) tổng hợp Bảng 3.7 Bảng so sánh diện tích bề mặt riêng của vật liệu và điện năng

tiêu thụ khi tổng hợp ở các công suất khác nhau 83 Bảng 3.8 Bảng so sánh diện tích bề mặt riêng của vật liệu MIL-100(Fe)

tổng hợp ở nồng độ khác nhau 85 Bảng 3.9 Diện tích bề mặt theo BET của vật liệu và điện năng tiêu thụ

ở các thời gian tổng hợp khác nhau 88 Bảng 3.10 Bảng so sánh diện tích bề mặt của vật liệu được tổng hợp từ

các phương pháp khác 94 Bảng 3.11 Dung lượng hấp phụ chloroquin theo thời gian 95 Bảng 3.12 Các tham số trong mô hình động học hấp phụ 96 Bảng 3.13 Kết quả thực nghiệm xác định dung lượng hấp phụ và hệ số

tách RL 98 Bảng 3.14 Kết quả thực nghiệm tính toán các thông số đẳng nhiệt 101 Bảng 3.15 Bảng so sánh dung lượng hấp phụ CQP của vật liệu

MIL-100(Fe) với một số vật liệu khác 102 Bảng 3.16 Tính chất xốp của vật liệu trước và sau khi mang CQP 106 Bảng 3.17 Nồng độ ion Fe3+ trong các dung dịch pH sau khi ngâm vật

liệu 108 Bảng 3.18 Diện tích bề mặt theo BET của vật liệu sau khi ngâm ở các

môi trường khác nhau 109 Bảng 3.19 Thế điện động của vật liệu ở các pH khác nhau 109 Bảng 3.20 Sự thay đổi trọng lượng chuột trong thử nghiệm bán trường

diễn 118 Bảng 3.21 Ảnh hưởng của mẫu đến chức năng tạo máu của chuột trong

thử nghiệm độc tính bán trường diễn 119 Bảng 3.22 Ảnh hưởng của mẫu đến hoạt độ AST và ALT trong máu

chuột 120 Bảng 3.23 Ảnh hưởng của mẫu đến khối lượng các cơ quan bên trong

chuột trong thử nghiệm bán trường diễn 121 Bảng 3.24 Số lượng chuột chết, biểu hiện bên ngoài khi uống CQP 124 Bảng 3.25 Số lượng chuột chết, biểu hiện bên ngoài khi uống

MIL-100(Fe)@ CQP 125 Bảng 3.26 Bảng theo dõi trọng lượng chuột sau khi uống

MIL-100(Fe)@CQP 125

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc của vật liệu MOFs 5

Hình 1.2 Một số ví dụ về hợp chất hữu cơ làm phối tử trong vật liệu MOFs 6

Hình 1.3 Bình phản ứng autoclave 10

Hình 1.4 Một số vật liệu làm chất mang thuốc 23

Hình 1.5 Vật liệu ZIF-8 28

Hình 1.6 Vật liệu MIL-100 (Fe) và MIL-101(Fe) 38

Hình 1.7 Cấu trúc của cloroquin phốt phát 44

Hình 2.1 Phương trình đường chuẩn của CQP trong nước 57

Hình 3.1 Hình ảnh các mẫu vật liệu FeBTC(a), FeBDC (b), FeBDC-NH2 (c) 67

Hình 3.2 Hình ảnh SEM của các mẫu vật liệu ở độ phóng đại 30.000 lần 68

Hình 3.3 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu 69

Hình 3.4 Phổ FTIR của các mẫu vật liệu 70

Hình 3.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp khí N2 của các mẫu vật liệu 71

Hình 3.6 Ảnh SEM vật liệu tổng hợp từ các phương pháp khác nhau 73

Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu tổng hợp từ các phương pháp

nhau 81

Hình 3.12 Biểu đồ so sánh hiệu suất phản ứng ở các công suất khác nhau 82

Hình 3.13 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí N2 vật liệu tổng hợp ở các công suất khác nhau 82

Hình 3.14 Biểu đồ so sánh hiệu suất phản ứng ở các nồng độ khác nhau 84

Hình 3.15 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí N2 của vật liệu tổng hợp ở các nồng độ khác nhau 85

Hình 3.16 Sự thay đổi hiệu suất phản ứng theo thời gian phản ứng 86

Hình 3.17 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí N2 của vật liệu tổng hợp ở các thời gian khác nhau 87

Hình 3.18 Vật liệu sau khi tổng hợp 89

Hình 3.19 Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu 89

Hình 3.20 Ảnh SEM và TEM của vật liệu MIL-100(Fe) 90

Hình 3.21 Phân bố cỡ hạt và thế điện động của vật liệu trong môi trường nước 90

Hình 3.22 Phổ IR của vật liệu MIL-100(Fe) 91

Hình 3.23 Phổ Raman của vật liệu MIL-100(Fe) 92

Hình 3.24 Phổ EDX mapping của vật liệu MIL-100(Fe) 93

Hình 3.25 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ khí N2 của vật liệu và sự phân bố kích thước mao quản 93

Hình 3.26 Dung lượng hấp phụ (Qt) và phổ UV-vis dung dịch CQP theo thời gian 95

Hình 3.27 Mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc 1 và bậc 2 96

Hình 3.28 Sự phụ thuộc dung lượng hấp phụ Qt vào t0.5 97

Hình 3.29 Phương trình phù hợp tuyến tính cho đường đẳng nhiệt Langmuir (a), Hệ số phân tách RL (b) 98

Hình 3.30 Đường đẳng nhiệt cân bằng và phương trình Freundlich 99

Hình 3.31 Mô hình đẳng nhiệt Dubinin-Radushkevich 100

Hình 3.32 Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Tempkin 101

Hình 3.33 Quá trình nhận proton của phân tử chloroquine trong môi trường nước 102

Hình 3.34 Phổ FTIR của CQP, MIL-100(Fe) ban đầu và sau mang CQP 103

Hình 3.35 Ảnh SEM của MIL-100(Fe) trước (a) và sau (b) mang CQP 104

Hình 3.36 Phổ XRD của MIL-100(Fe) và MIL-100(Fe) sau khi mang CQP 104

Hình 3.37 Phổ EDX mapping của vật liệu MIL-100(Fe) sau khi mang CQP 105

Hình 3.38 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí N2 của vật liệu trước khi mang (MIL-100) và sau khi mang thuốc (MIL-100+ CQP) 106

Hình 3.39 Ảnh SEM của vật liệu sau khi ngâm trong các môi trường pH khác nhau 108

Hình 3.40 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ khí N2 (a) và phổ nhiễu xạ tia X (b) của vật liệu sau khi ngâm ở các môi trường khác nhau 109

Hình 3.41 Lượng CQP được giải phóng ở môi trường nước 110

Hình 3.42 Lượng CQP được giải phóng ở pH1,2 111

Hình 3.43 Lượng CQP được giải phóng ở pH2 112

Hình 3.44 Lượng CQP được giải phóng ở pH4,5 113

Hình 3.45 Lượng CQP được giải phóng trong môi trường PBS 114

Hình 3.46 Hình ảnh chuột được thử nghiệm và kết quả theo dõi khối lượng trung bình của chuột 117

Hình 3.47 Giá trị IC50 của mẫu đối chứng (a) và của vật liệu mang chloroquin (b) 123

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Một trong những vấn đề trọng tâm trong việc nghiên cứu vật liệu mang dẫn thuốc đó là khả năng mang tải hoạt chất, khả năng tương thích sinh học (độc tính thấp) và tốc độ giải phóng thuốc của vật liệu Các vật liệu mang vô cơ như cacbon nano, silica cho dung lượng mang cao nhưng tính tương thích sinh học thấp và có nguy cơ tích tụ trong cơ thể, các vật liệu mang hữu có tính tương thích sinh học tốt như chitosan, colagen nhưng dung lượng mang thuốc lại không cao Việc nghiên cứu loại vật liệu tải thuốc vừa có tính tương thích sinh học tốt lại vừa có khả năng mang tải hoạt chất cao luôn là một vấn đề được đặt ra trong nghiên cứu chế tạo vật liệu mang thuốc Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở các tâm kim loại an toàn như Fe, Mg, Ca, Zr với các phối tử hữu cơ tạo nên cấu trúc khung có diện tích bề mặt riêng cao hứa hẹn sẽ có khả năng mang tải thuốc cao và có tính tương thích sinh học tốt

Vật liệu khung cơ kim (MOFs) là loại vật liệu xốp tiên tiến có những tính chất ưu việt và có khả năng ứng dụng đa dạng hơn so với các vật liệu xốp truyền thống Do cấu trúc lỗ xốp đa dạng và đặc biệt là có diện tích bề mặt lớn (có thể lên tới trên 10.000m2/g) làm cho vật liệu MOFs có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như lưu trữ khí, phân tách khí, xúc tác, cảm biến Trong những năm gần đây vật liệu MOFs còn được đặt biệt quan tâm trong lĩnh vực mang dẫn thuốc

Vật liệu khung cơ kim có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp nhiệt dung môi, phương pháp vi sóng, phương pháp cơ hóa học, phương pháp hồi lưu, phương pháp điện hóa Tuy nhiên, với xu hướng bảo vệ môi trường, các nhà khoa học ngày càng quan tâm tới các phương pháp tổng hợp đơn giản, thân thiện với môi trường đáp ứng được các chỉ tiêu về hiệu suất, năng lượng, giảm hoặc loại bỏ chất độc hại, sản phẩm có

thể phân hủy sinh học

Trên cơ sở đó, nghiên cứu sinh lựa chọn tên đề tài luận án “Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) theo quy trình hóa học xanh định hướng ứng dụng mang dược chất” với mục tiêu tổng hợp vật liệu theo

phương pháp hóa học xanh, giảm thiểu năng lượng tiêu tốn, nâng cao hiệu suất phản ứng và sử dụng hóa chất an toàn thân thiện với môi trường Vật liệu sau chế tạo có khả năng mang tải thuốc với dung lượng cao và có tính tương thích sinh học tốt

2 Mục tiêu nghiên cứu

Chế tạo thành công vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) theo phương pháp hóa học xanh có khả năng mang dược chất, tính tương thích sinh học tốt

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) với một số phối

tử hữu cơ

Dược chất: Cloroquin phốt phát (CQP)

- Phạm vi: Các phương pháp tổng hợp vật liệu khung cơ kim trên cơ

sở Fe(III) theo quy trình hóa học xanh

Khả năng mang nhả dược chất cloroquin, độc tính của vật liệu trước và sau khi mang dược chất

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng hợp vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) theo phương pháp xanh và đánh giá các tính chất đặc trưng của vật liệu

- Nghiên cứu khả năng mang và nhả cloroquin của vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III)

- Nghiên cứu độc tính của vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) và hệ vật liệu sau khi mang thuốc

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp tổng quan tài liệu kết hợp thực nghiệm

để tổng hợp vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) bằng các kỹ thuật thủy nhiệt, siêu âm, vi sóng Các kỹ thuật phân tích hiện đại để đánh giá đặc trưng tính chất của vật liệu: XRD, EDX, FT-IR, SEM, TEM, BET, DLS… Kỹ thuật phân tích nồng độ dược chất trong dung dịch để đánh giá khả năng mang, nhả dược chất của vật liệu như phổ UV-Vis Đánh giá độc tính cấp, độc tính bán

trường diễn qua phương pháp In- vivo [8], đánh giá hoạt tính của dược chất qua phương pháp In- vitro [4]

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đưa ra phương pháp chế tạo vật liệu

khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) bằng phương pháp tổng hợp xanh giảm thiểu việc sử dụng các hóa chất độc hại, giảm thiểu năng lượng tiêu tốn góp phẩn bảo vệ môi trường Vật liệu sau khi tổng hợp đã được thử nghiệm làm chất mang dược chất chloroquin cho dung lượng mang cao và được khảo sát nhả dược chất ở các môi trường pH khác nhau

Ý nghĩa thực tiễn: Phương pháp chế tạo vật liệu có thể ứng dụng trong

việc sản xuất vật liệu với quy mô lớn Hệ vật liệu mang dược chất có tính tương thích sinh học tốt có thể ứng dụng làm chất mang trong lĩnh vực mang thuốc

7 Bố cục của luận án

Luận án được trình bày gồm: Mở đầu, 3 chương nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục các công trình khoa học đã công bố Nội dung các chương như sau:

Chương I: Tổng quan về: i) vật liệu khung cơ kim, vật liệu khung cơ

kim trên cơ sở Fe; ii) các phương pháp tổng hợp vật liệu khung cơ kim ứng dụng phương pháp tổng hợp xanh; iii) ứng dụng của vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe trong chất mang tải thuốc

Chương II: Trình bày các quy trình khảo sát tổng hợp vật liệu khung cơ

kim trên cơ sở Fe(III) theo các phối tử hữu cơ, các phương pháp tổng hợp và các điều kiện tổng hợp khác nhau Quy trình mang, nhả dược chất cloroquin

Các phương pháp, kỹ thuật đánh giá tính chất đặc trưng của vật liệu, các phương pháp thử nghiệm sinh học in vitro, in vivo

Chương III: Trình bày và thảo luận về các kết quả nghiên cứu chế

tạo vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) theo phương pháp hoá học xanh Kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng mang và nhả cloroquin của vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) Kết quả nghiên cứu độc tính của vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe(III) và thử nghiệm hoạt tính sinh học của hệ vật liệu khung cơ kim mang thuốc

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu khung cơ kim

1.1.1 Khái niệm về vật liệu khung cơ kim

Vật liệu khung kim loại hữu cơ MOFs là những hợp chất chứa tâm kim loại kết hợp với các phân tử hữu cơ để tạo thành cấu trúc xốp một, hai hoặc ba chiều (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu trúc của vật liệu MOFs

Vật liệu MOFs là loại vật liệu xốp tiên tiến có những tính chất ưu việt như có diện tích bề mặt riêng cao, có đa dạng các loại cấu trúc, kiểu khung xốp, có thể biến tính cấu trúc lỗ xốp dẫn đến có thể điều chỉnh được các tính chất như kích thước, hình dạng và bề mặt lỗ xốp Chính vì vậy, vật liệu MOFs có khả năng ứng dụng đa dạng hơn so với vật liệu xốp thông thường [204] Trong cấu trúc của MOFs, ion kim loại đóng vai trò là nút mạng trong khi phối tử hữu cơ (Hình 1.2) đóng vai trò là khung từ đó tạo ra vật liệu có độ xốp cao Do trạng thái tinh thể mà MOFs cũng có kích thước lỗ xốp đồng nhất và có độ ổn định cao Ngoài diện tích bề mặt riêng cao, bên trong phân tử MOFs có 2 vị trí hấp phụ tốt chính là các tâm kim loại chưa bão hòa và các vị trí có nhóm chức hữu cơ giúp vật liệu có thể tăng cường khả năng hấp phụ

Hình 1.2 Một số ví dụ về hợp chất hữu cơ làm phối tử trong vật liệu MOFs

Vật liệu MOF ngoài tính chất có diện tích bề mặt lớn do cấu trúc khung tạo nên thì việc thay đổi phối tử, ion kim loại trung tâm cũng dẫn đến tính chất thay đổi, đôi khi đó là sự kết hợp tính chất của cả phần tử trung tâm và phần tử tạo khung Sự điều chỉnh về cấu trúc dẫn đến việc mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vật liệu như sàng lọc phân tử có độ chọn lọc cao, cảm biến, xúc tác hoặc các ứng dụng liên quan đến hấp phụ như xử lý môi trường, tích trữ năng lượng hay mang thuốc

1.1.2 Một số ứng dụng của vật liệu khung cơ kim

Đi đôi với việc tổng hợp và nghiên cứu cấu trúc MOFs, các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm khám phá các ứng dụng của MOFs như tích trữ khí, hấp phụ/tách khí, xúc tác, xử lý môi trường, cảm biến, mang dẫn thuốc

1.1.2.1 Ứng dụng trong lưu trữ khí

Một trong những thuộc tính quan trọng nhất của vật liệu khung kim loại-hữu cơ là độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng cao, làm cho vât liệu MOFs có nhiều ứng dụng liên quan đến lưu trữ khí Nhiều vật liệu có diện tích bề mặt

riêng cao lên tới lên tới 7.310 m2/g [33] hay hơn 10.400 m2/g [56]

Lưu trữ khí H2

Khí H2 là một trong những năng lượng hàng đầu trong tương lai vì khi cháy chúng sản sinh ra năng lượng lớn và sạch có thể tái tạo trong tự nhiên Một thách thức đặc biệt quan trọng nữa là vận chuyển và lưu trữ khí H2 rất khó khăn và tốn kém vì tích trữ ở dạng lỏng phải ở áp suất cao và nhiệt độ thấp Vì vậy nhóm nghiên cứu của Antek đã nghiên cứu khả năng hấp phụ khí H2 ở áp suất từ 10-90 bar và nhiệt độ 77K cho thấy MOF-74 hấp phụ bão hòa ở 26 bar đạt được 2,3%, ở 34 bar IR11 hấp phụ 3,5% theo khối lượng, còn MOF-177 và IRMOF-20 thì ở 70-80 bar với khối lượng hấp thụ 7,5 và 6,7% theo khối lượng [188]

Loại bỏ khí CO2

Trước đây, người ta thường dùng oxide, silicate, carbon, màng chuyên dụng để hấp phụ CO2 từ khí thải động cơ hay các nhà máy điện Tuy nhiên, để đạt môi trường hấp phụ hiệu quả và khả năng lâu dài trong việc loại CO2 phải kết hợp hai đặc trưng sau: Cấu trúc phải xốp để đạt được dung lượng hấp phụ cao và cấu trúc khung phải linh động để có thể giải phóng CO2 hoàn toàn Khung MOFs là vật liệu đạt những đặc tính thuận lợi này: cấu trúc trật tự, độ bền nhiệt cao, chức năng hóa học có thể điều chỉnh được, tính xốp cao Nhóm tác giả Omar M Yaghi đã nghiên cứu khả năng hấp phụ CO2 tại nhiệt độ phòng của các MOFs khác nhau Kết quả cho thấy MOF-177 có thể chứa 33,5 mmol/g CO2 cao hơn hẳn các vật liệu xốp khác Tại áp suất 35 bar, một thùng chứa MOF-177 có thể chứa gấp 9 lần lượng CO2 thùng không chứa chất hấp phụ [45], [120] Ngoài ra vật liệu MOFs còn dùng để lưu trữ khí metan, nitơ…

1.1.2.2 Xúc tác

Kể từ khi vật liệu MOFs được phát hiện và nghiên cứu, việc sử dụng vật liệu này làm xúc tác rắn nhận được mối quan tâm đặc biệt do kích cỡ lỗ xốp và chức năng của khung có thể được điều chỉnh trong một phạm vi rộng đối với

các loại phản ứng xúc tác khác nhau Mặc dù một số lượng lớn các vật liệu MOFs khác nhau đã được chế tạo, nhưng cho tới nay chỉ một vài trong số chúng được ứng dụng trong các phản ứng xúc tác

Hasegawa và cộng sự tổng hợp thành công cấu trúc 3D Cd4(btapa)2(NO3)2·6H2O·2DMF)n từ phản ứng giữa Cd(NO3)2·4H2O và benzen-1,3,5-tricarboxylic axid tris-pyridin-4-ylamide Nhóm amide được sắp xếp đồng đều trên bề mặt thuận lợi cho việc chọn lọc và hoạt hóa các phân tử chất phản ứng Tác giả dùng vật liệu làm xúc tác để khảo sát phản ứng Knoevenagel giữa benzaldehyd với các hợp chất methylen hoạt động như malonitrile, ethyl cyanoacetate, cyano-acetic acid, tert-butyl ester [69] Kết quả malonitrile có kích thước (6,9x4,5) Å phù hợp với lỗ xốp của khung nên tốc độ phản ứng đạt cao nhất 98 %, trong khi các chất còn lại như tert-butyl ester có kích thước (2,5x10,3) Å và ethyl cyanoacetate có chiều dài (5,8x10,3) Å vượt quá nhiều so với kích thước của lỗ xốp không thể đi ra đi vào lỗ xốp để phản ứng do vậy độ chuyển hóa hầu như không đáng kể

1.1.2.3 Cảm biến

Sự hấp phụ thuận nghịch, hoạt tính xúc tác cao, chức năng hóa học có thể điều chỉnh được và cấu trúc đa dạng của MOFs làm cho vật liệu này trở thành lựa chọn lý tưởng trong các cảm biến hóa học [35] Những thay đổi về hóa học, vật lý và cấu trúc trong MOFs sau khi hấp phụ đã được sử dụng trong những năm gần đây để phát hiện các chất gây ô nhiễm môi trường bao gồm kim loại nặng, hợp chất hữu cơ và khí độc [161]

Vật liệu MOFs đã được nghiên cứu để có thể sử dụng làm cảm biến hiệu suất cao nhằm phát hiện nhiều loại khí và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) khác nhau dựa vào diện tích bề mặt lớn, kích thước lỗ có thể điều chỉnh, các vị trí có thể chức năng hóa hay một số tính chất khác chẳng hạn như độ dẫn điện, từ tính, phát quang Độ xốp cao của MOFs cho phép chúng tương tác mạnh mẽ với các chất phân tích khác nhau, bao gồm cả khí và VOC, do đó dẫn

đến các phản ứng có thể đo lường dễ dàng đối với các thông số hóa lý khác nhau [95] Ngoài ra MOFs còn được nghiên cứu làm cảm biến trong các lĩnh vực như sinh học, điện hóa hay môi trường

1.1.2.4 Xử lý môi trường

Ngoài các ứng dụng chủ yếu nêu trên, các nghiên cứu chế tạo và ứng dụng để xử lý khí thải của vật liệu này cũng đã được nhiều nhóm tác giả công bố Nhóm tác giả của trường đại học Ishinimaki Senshu (Nhật Bản) đã chế tạo thành công vật liệu MOFs, trên cơ sở phức của Cu2+ với hai phối tử 4,4’-bipyridyl và axit 2,5-dihydroxy benzoic có khả năng hấp phụ 10 loại khí khác nhau bao gồm: CO2, N2O, CO, Ar, Xe, CH4, C2H4, H2, O2 và N2 [116] Nhóm tác giả Kun Yang (Trung Quốc) đã công bố kết quả nghiên cứu về vật liệu MIL-101 trên cơ sở phức chất của Cr3+ với axit terephtalic có khả năng hấp phụ các dung môi hữu cơ dễ bay hơi [193] Cơ chế hấp phụ các dung môi hữu cơ dễ bay hơi dựa vào kích thước lỗ xốp của vật liệu Giả thiết các lỗ xốp có dạng hình cầu thì đường kính của lỗ xốp quyết định đến khả năng hấp phụ của vật liệu đối với từng phân tử Các lỗ xốp có cùng kích thước cũng có khả năng hấp phụ được một số phân tử có kích thước tương tự nhau

Ngoài việc xử lý khí, vật liệu khung cơ kim đã được sử dụng để loại bỏ các hợp chất sinh học dư thừa, kháng sinh, thuốc trừ sâu, khí và các chất ô nhiễm độc hại khác ở trong môi trường nước, chẳng hạn như kim loại nặng, thuốc diệt cỏ, glufosinate, glyphosate, và bialaphos [136], [60]

1.1.2.5 Mang dẫn thuốc

Số lượng các nghiên cứu ứng dụng về lĩnh vực y sinh của vật liệu MOFs ngày càng tăng trong suốt nhiều năm qua do tính linh hoạt, độ xốp cao, và diện tích bề mặt khả dụng lớn, tính tương thích sinh học tốt Ban đầu, ứng dụng của MOFs chủ yếu để phân phối thuốc, tập trung vào các loại thuốc phân tử nhỏ, chẳng hạn như chất chống khối u doxorubicin và curcumin [170], [177] Tuy

nhiên, nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung vào các loại đại phân tử, chẳng hạn như protein và axit nucleic [61] Các tính chất về độc tính, độ ổn định của vật liệu thường được rất quan tâm khi ứng dụng ở lĩnh vực này

1.1.3 Các phương pháp chế tạo vật liệu khung cơ kim

1.1.3.1 Phương pháp nhiệt dung môi

Thủy nhiệt trong môi trường nước (hydrothermal) hay trong các dung môi khác (solvothermal) là phương pháp kết tinh hợp chất từ dung dịch ở nhiệt độ cao và áp suất hơi lớn Phương pháp tổng hợp nhiệt dung môi có thể được định nghĩa là phương pháp tổng hợp các đơn tinh thể, phụ thuộc vào độ tan của sản phẩm trong dung môi ở nhiệt độ và áp suất cao Sự tăng độ tan của các chất rắn, kể cả các chất không tan ở điều kiện thường, là rất đáng kể, và điều đó cho phép kiểm soát sự kết tinh của sản phẩm tạo thành trong quá trình phản ứng

Dụng cụ thường được sử dụng trong phương pháp nhiệt dung môi là các bình autoclave có cấu tạo như Hình 1.3

Hình 1.3 Bình phản ứng autoclave

Các ưu điểm của phương pháp này bao gồm khả năng hòa tan các phối tử hữu cơ ở nhiệt độ và áp suất cao thuận lợi cho quá trình phản ứng, các tinh thể thu được có độ tinh khiết và có chất lượng cao, nồng độ của các tạp chất, khuyết tật và xô lệch mạng thường thấp và cho phép kiểm soát sự phân bố cỡ

hạt và kích thước tinh thể của sản phẩm bằng việc thay đổi điều kiện thí nghiệm bao gồm nhiệt độ phản ứng, thời gian, dung môi, phụ gia và tiền chất

Nhược điểm của phương pháp này là quá trình phản ứng trong autoclave nên không thể quan sát sự phát triển của tinh thể khi nó phát triển, thời gian tổng hợp dài, tiêu tốn nhiều điện năng

Phương pháp nhiệt dung môi là phương pháp rất phổ biến trong tổng hợp vật liệu MOFs Các vật liệu MOFs khác nhau như MOF-199, MOF-5, MOF-74…[88], [124], [133], [38] đã được nghiên cứu tổng hợp theo phương pháp này

1.1.3.2 Phương pháp vi sóng

Tổng hợp bằng cách dùng vi sóng đã được áp dụng rộng rãi để tổng hợp nhanh các loại vật liệu xốp dưới điều kiện thủy nhiệt Bên cạnh việc kết tinh nhanh, ưu điểm của phương pháp này là độ phân bố cỡ hạt hẹp Trong tổng hợp dùng vi sóng, hỗn hợp được đưa vào bình teflon, đậy kín và đưa vào lò vi sóng, làm nóng trong một khoảng thời gian phù hợp ở một nhiệt độ xác định Phương pháp này áp dụng sự dao động điện trường lên moment lưỡng cực của các phân tử, làm các phân tử này dao động, dẫn tới việc nóng lên rất nhanh của hỗn hợp Quá trình dao động làm tăng tương tác giữa các phân tử chất phản ứng, thúc đẩy quá trình phản ứng xảy ra nhanh hơn

Vật liệu MOFs đầu tiên được tổng hợp thành công bằng vi sóng là MIL-101(Cr) [84] Hợp chất này được tổng hợp trong vòng 4 h ở 220 ⁰C với hiệu suất 44%, ngang bằng với phương pháp tổng hợp thủy nhiệt thông thường (4 ngày ở 220 ⁰C) Hiện nay, đã có rất nhiều các loại MOFs đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp vi sóng như MOF-74[189], MIL-88B [206], ZIF-8 [25]…

1.1.3.3 Phương pháp hồi lưu

Hồi lưu là phương pháp trong đó dung môi bay hơi được ngưng tụ lại

và trở lại hệ thống phản ứng Một hỗn hợp phản ứng được được đặt trong bình, được nối với một ống ruột gà, có tác dụng làm hơi dung môi nguội, chuyển thành chất lỏng và quay trở lại hệ thống Bình sau đó được nâng nhiệt để phản ứng xảy ra Tác dụng của phương pháp hồi lưu là để thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao (cụ thể là gần nhiệt độ sôi của dung môi) mà không sinh áp suất lớn

Ưu điểm của phương pháp này là có thể để phản ứng xảy ra trong một thời gian dài mà không cần thêm dung môi hay sợ bình phản ứng bị khô Thêm vào đó, vì một dung môi luôn sôi ở một nhiệt độ cụ thể, có thể khẳng định phản ứng luôn được thực hiện ở một nhiệt độ cố định Bằng việc lựa chọn dung môi, có thể kiểm soát được nhiệt độ phản ứng trong một khoảng rất hẹp Việc sôi liên tục của dung môi cũng có tác dụng trộn đều dung dịch trong quá trình phản ứng Phương pháp này rất hữu hiệu để thực hiện các phản ứng trong một điều kiện có kiểm soát, yêu cầu thời gian phản ứng dài

HKUST-1 đã được tổng hợp bằng cách trộn đồng nitrat và H3BTC, tỷ lệ mol 9:5 vào dung môi etanol Hỗn hợp trên được đun nóng bằng phương pháp hồi lưu trong vòng 24 h với tốc độ khuấy 300 vòng/phút Chất rắn sau đó được thu lại bằng cách lọc, và rửa bằng nước cất và sau đó là bằng cồn Sản phẩm được sấy khô ở 373 oK trong 5 h trong lò chân không [93]

1.1.3.4 Phương pháp siêu âm

Phương pháp siêu âm thông qua việc tạo mầm nhanh và đồng nhất có thể làm giảm thời gian kết tinh và tạo hạt có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với việc sử dụng phương pháp thủy nhiệt thông thường Sự tạo thành và phá vỡ của các bong bóng trong quá trình này sinh ra áp suất và nhiệt độ rất lớn, tốc độ nâng nhiệt và làm nguội rất nhanh tạo thành tinh thể rất nhỏ Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản ứng có thể kể đến như:

- Công suất siêu âm Nhiệt độ phản ứng, tốc độ gia nhiệt của phản ứng phụ thuộc vào công suất siêu âm Chính vì vậy nên công suất siêu âm cũng sẽ ảnh hưởng quyết định đến dạng cấu trúc tinh thể của sản phẩm tạo thành Israr

và cộng sự đã phát hiện khi họ nghiên cứu tổng hợp Ni-BTC bằng phương phát siêu âm Kết quả có thể thu được hai dạng tinh thể khác nhau khi thay đổi công suất siêu âm từ 40 % lên 80 % trên máy siêu âm 750W [81]

- Thời gian siêu âm Kích thước hạt vật liệu, sự kết tụ vật liệu chịu ảnh hưởng bởi thời gian siêu âm Các hạt nano Zn3BTC2 được tổng hợp bằng siêu âm có kích thước hạt từ 50-100 nm đã tăng lên 700-900 nm khi tăng thời gian phản ứng từ 10 phút lên 90 phút [143] Vật liệu HKUST-1 lần đầu đã được tổng hợp bằng phương pháp siêu âm từ đồng axetat và axit benzene 1,3,5 tricarboxylic trong dung dịch hỗn hợp DMF/ethanol/nước sau thời gian từ 5 đến 60 phút Kết quả cho thấy hiệu suất phản ứng rất cao từ 62,5 đến 85% Các tinh thể hình thành có kích thước từ 10-200 nm, nhỏ hơn nhiều so với việc tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt [103]

- Dung môi và nồng độ chất phản ứng Ngoài các yếu tố như công suất, thời gian thì dung môi và nồng độ chất tham gia phản ứng cũng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu Dung môi phản ứng có độ nhớt khác nhau sẽ ảnh hưởng để khả năng truyền năng lượng của sóng siêu ấm, trong khi nồng độ chất tham gia phản ứng cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cũng như hình thái cấu trúc của vật liệu

1.1.3.5 Phương pháp cơ hóa học

Phương pháp cơ hóa học sử dụng sự đứt gãy cơ học của các liên kết nội phân tử, kèm theo là các sự chuyển đổi hóa học Tổng hợp MOFs bằng phản ứng cơ hóa học được công bố lần đầu tiên năm 2006 Các phản ứng cơ hóa học được thực hiện ở nhiệt độ phòng trong điều kiện không có dung môi, là một ưu điểm rất lớn khi không phải dùng tới các dung môi độc hại Các hạt MOFs nhỏ có thể thu được trong một khoảng thời gian phản ứng ngắn, thường là từ 10-60 phút Trong rất nhiều trường hợp, dùng oxit kim loại được thay thế muối kim loại làm tiền chất, dẫn tới sự tạo thành nước là sản phẩm phụ duy nhất

Sự thêm vào một lượng nhỏ dung môi có thể dẫn tới sự đẩy nhanh tốc

độ phản ứng do sự tăng độ linh động của các chất phản ứng Tuy nhiên tổng hợp cơ hóa học chỉ giới hạn ở một số loại MOFs cụ thể ở quy mô nhỏ

HKUST-1 đã được tổng hợp bằng phương pháp cơ hóa học với thời gian phản ứng chỉ 30 phút, ngắn hơn đáng kể so với phương pháp thủy nhiệt (24 giờ) với diện tích bề mặt khi sử dụng ethanol làm dung môi là 1442 m2/g [26]

1.1.3.6 Phương pháp điện hóa

Phương pháp tổng hợp bằng điện hóa đối với MOFs sử dụng các anot để cung cấp ion kim loại thay vì dùng muối Các ion này sẽ phản ứng với phối tử hữu cơ đã được hòa tan trong dung dịch muối dẫn điện Sự lắng đọng của kim loại được khắc phục bằng việc sử dụng các dung môi cho proton

Phương pháp điện hóa có một số ưu điểm như: tổng hợp nhanh với nhiệt độ thấp, không dùng muối kim loại và vì thế việc tách các anion khỏi dung dịch tổng hợp là không cần thiết, có lợi cho việc tái sử dụng dung môi Gần đây một loạt các MOFs như HKUST-1[178], ZIF-8[191] được tổng hợp thành công thông qua phương pháp này

Bảng 1.1 Bảng so sánh các phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs tinh thể Thời gian phản ứng dài, tiêu tốn nhiều điện trong một thời gian dài mà không cần thêm dung môi hay

Yêu cầu thời gian phản ứng dài, tốn nhiều điện năng Nhiệt độ phản ứng phụ

sợ bình phản ứng bị khô Phản ứng luôn được thực hiện ở một nhiệt độ cố định

thuộc vào nhiệt độ sôi của dung môi, khó điều chỉnh

Được thực hiện ở nhiệt độ phòng trong điều kiện không có dung môi Không sử dụng dung môi độc hại Thời gian

1.1.4 Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe

Vật liệu MOFs trên cơ sở sắt lần đầu được nghiên cứu tổng hợp thành công tai trường đại học Lavoiser nên thường được gọi là vật liệu dòng MIL-Fe [200] Các đặc trưng tính chất của MOFs không chỉ phụ thuộc cụm kim loại và còn phụ thuộc vào phối tử hữu cơ và cách thức xây dựng cấu trúc của vật liệu Cụm kim loại trong Fe-MOF chủ yếu có hai loại đơn vị xây dựng thứ cấp là chuỗi [Fe(OH)(COO)2] và [Fe3 (μ3-O)(COO)6)] [53] trong khi các phối tử hữu cơ có thể là từ các axit 2, 3 hoặc 4 nhóm chức

1.1.4.1 MOF-Fe với axit hữu cơ chứa 2 nhóm cacboxyl

Axit hữu cơ 2 nhóm cacboxyl điển hình là 1,4-benzen dicacboxylic (1,4-BDC) phần lớn được sử dụng để thiết kế các khung linh hoạt có hiệu ứng thở cao như vật liệu MIL-53 Cùng phối tử này hai MOF nữa đã được báo cáo là MIL-68 và MIL-85 với diện tích bề mặt tối đa là 665 m2/g Diện tích bề mặt

được báo cáo của MIL-85 kém hơn so với MIL-68 và diện tích bề mặt BET đo được là 110 m2/g [54] Một cấu trúc khác được phát hiện dựa trên đơn vị thứ cấp [Fe3(μ3-O)(COO)6)] với các phối tử hữu cơ 1,4-benzen dicacboxylic, 2,6 naphthalene dicarboxylate và 4,4′-biphenyl dicarboxylate cho các cấu trúc tương ứng là MIL-101(Fe), MIL-101(Fe)-NDC và MIL-101(Fe)-BPDC cho diện tích bề mặt rất lớn (2500–4500 m2/g) và các lỗ xốp lớn với đường kính từ 20 Å đến 68 Å [24] Tuy nhiên dòng MIL-101(Fe) có độ ổn định kém trong nước và hơi ẩm nên thường biến đổi thành các cấu trúc liên kết ít xốp và ổn định hơn là MIL-53 và MIL-88) [74]

Ngoài các axit có nhân thơm, axit đicacboxylic béo cũng được sử dụng để tạo ra các vật liệu khung như axit fumaric và axit muconic Tuy nhiên các cấu trúc thu được đều có tính chất xốp thấp hơn nhiều so với việc sử dụng các axit có nhân thơm

1.1.4.2 MOF-Fe với axit hữu cơ chứa 3 nhóm cacboxyl

Khác với các axit hữu cơ 2 nhóm chức, độ ổn định của MOF được tổng hợp từ axit hưu cơ chứa 3 nhóm chức có tính ổn định cao hơn Loại axit phổ biến nhất được sử dụng là axit trimesic (axit benzen-1,3,5-tricarboxylic) do việc chế tạo dễ dàng, giá thành rẻ, dễ tiếp cận và cấu trúc tổng hợp được là MIL-100(Fe) có tính ổn định cao Cấu trúc MIL-MIL-100(Fe) có cấu trúc tương tự như kiến trúc zeolit được hình thành từ sự liên kết của axit trimesic và [Fe3 (μ3-O)(COO)6] [83] Cấu trúc này có lỗ xốp trung bình từ 25Å và 29Å và diện tích bề mặt được ước tính là > 1000 m2/g [169]

Các cấu trúc tương tự MIL-100(Fe) như (MIL-100(Fe)-BTB) được sử dụng phối tử hữu cơ 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzen (BTB) cho kích thước lỗ xốp lớn hơn (68 Å) và diện tích bề mặt rất cao lên tới 4500 m2/g [74]

1.1.4.3 MOF-Fe với axit hữu cơ chứa 4 nhóm cacboxyl

Tính chất xốp và độ ổn định của vật liệu tăng lên đáng kể khi sử dụng

các axit hữu cơ có nhiều nhóm cacboxyl hơn Các khung này ổn định ở cả pH axit và pH trung tính Vật liệu MIL-127(Fe) được tạo thành từ tâm kim loại là [Fe3(μ3-O)(COO)6)] với axit hữu cơ 3,3′,5,5′-azobenzen-tetracacboxylic (TazBz) tạo thành cấu trúc 3D cho độ ổn định hơn so với MIL-100(Fe) ở trong các môi trường axit lẫn trung tính tuy nhiên kích thước lỗ xốp thu được lại tương đối hẹp từ 3 Å đến 6 Å [34]

Tương tự như các axit chứa 2 và 3 nhóm cacboxyl, các phối tử hữu cơ có chứa càng nhiều nhóm nhân thơm thường khó khăn trong việc tổng hợp và tiếp cận để chế tạo vật liệu Chính vì vậy, các nhóm axit benzen dicacboxylic và benzen tricacboxylic được sử dụng rộng rãi hơn trong tổng hợp vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe

1.2 Phương pháp hóa học xanh trong tổng hợp vật liệu khung cơ kim

1.2.1 Khái niệm về hóa học xanh

Hóa học xanh được khởi xướng vào những năm 1990 và được xây dựng dựa trên nền tảng của những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực và chuyên ngành hóa học đã sẵn có trước đây như: xúc tác, tổng hợp tiết kiệm nguyên tử, các vật liệu có khả năng dễ phân hủy và dung môi thay thế Các hoạt động trong lĩnh vực hóa học gây nhiều mối quan ngại về các tác động bất lợi tiềm ẩn đối với sức khỏe con người và môi trường từ các quy trình, sản phẩm phụ, chất thải, ô nhiễm và hóa chất công nghiệp trong hoạt động sống hàng ngày của con người Các thành viên của cộng đồng hóa học đã thống nhất một mục tiêu chung về thiết kế các sản phẩm hóa học và quy trình nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng và tạo ra các chất độc hại

Thuật ngữ “Hóa học xanh” thường được mô tả qua mười hai điểm sau: (1) Hạn chế lượng chất thải hình thành Lượng chất thải lớn nhất để tổng hợp vật liệu là do dung môi được sử dụng để tổng hợp và tinh chế Do đó giảm lượng dung môi và đặc biệt là sự thay thế bằng một dung môi “xanh hơn”

rất được mong muốn [57]

(2) Tối ưu hóa sự kết hợp của tất cả các vật liệu được sử dụng trong quá trình vào sản phẩm cuối cùng Điểm này chỉ đơn giản là việc tổng hợp với hiệu suất cao hơn, giảm thời gian và năng lượng tiêu tốn

(3) Các phương pháp luận tổng hợp nên được thiết kế để tổng hợp ra các chất có rất ít hoặc không có độc tính đối với sức khỏe con người và môi trường

(4) Các phương pháp hóa học được thiết lập để giảm độc tính nhưng vẫn phải đạt được hiệu quả đặc tính kỹ thuật của sản phẩm

(5) Việc sử dụng các chất phụ trợ (ví dụ: dung môi, phân tách ) được sử dụng một cách hạn chế nhất có thể và không độc hại khi sử dụng

(6) Yêu cầu về năng lượng cần được giảm thiểu, các phương pháp tổng hợp nên được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất môi trường Việc giảm mức tiêu thụ năng lượng có thể chủ yếu đạt được bằng cách tổng hợp ở nhiệt độ thấp nhất có thể nhưng cũng sử dụng các phương pháp ứng dụng năng lượng thay thế như siêu âm hoặc hóa cơ

(7) Sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo Các hợp chất hữu cơ được sử dụng chủ yếu là những hóa chất nhân tạo Do đó việc sử dụng các phân tử có thể thu được từ các nguồn như tinh bột hoặc xenlulo là một hướng nghiên cứu rất đáng quan tâm

(8) Hạn chế nhất có thể việc tạo ra các chất không cần thiết Điều này khuyến nghị quá trình phản ứng không làm biến đổi các chất tham gia phản ứng và dung môi thành các dẫn xuất khác, nên sử dụng tiền chất đơn giản hơn để tránh lãng phí và các dung môi như nước, ethanol

(9) Sử dụng các chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng

(10) Các sản phẩm hóa học phải được thiết kế sao cho khi kết thúc vai trò của mình, chúng không tồn tại trong môi trường và dễ phân hủy thành các sản phẩm thứ cấp vô hại

(11) Phát triển các phương pháp phân tích để giám sát và kiểm soát trước sự hình thành các chất độc hại theo thời gian thực

(12) Các chất được sử dụng trong một quá trình hóa học nên được lựa chọn để giảm thiểu khả năng xảy ra tai nạn hóa chất, bao gồm cả sự cố phóng xạ, nổ, và hỏa hoạn Điểm này sẽ đặc biệt phù hợp với quy mô tổng hợp lớn trong khi các quy trình trong phòng thí nghiệm hiện nay ít quan tâm đến

1.2.2 Một số tiêu chí hóa học xanh trong tổng hợp vật liệu khung cơ kim

1.2.2.1 Sử dụng dung môi tổng hợp an toàn

Các phương pháp truyền thống để tổng hợp MOFs có xu hướng sử dụng các dung môi hữu cơ như N, N-điethylformamid (DEF) và đimethylformamid (DMF)…[18], [47] Điểm sôi của các dung môi tương đối cao có lợi cho môi trường phản ứng do tốc độ bay hơi thấp Tuy nhiên, việc sử dụng những dung môi này có thể tạo ra một lượng lớn các amin nguy hiểm khi đun nóng hoặc gia nhiệt [119] Các dung môi này là những yếu tố đóng góp chính vào độc tính tổng thể của MOFs [19] và việc phát triển các giải pháp thay thế là rất quan trọng để đảm bảo an toàn quy trình và giảm thiểu tác động đến môi trường Đimetylformamid (DMF) là một dung môi rất thường được sử dụng trong tổng hợp MOFs, tuy nhiên DMF không chỉ là một hóa chất nguy hiểm mà còn có thể dễ dàng hình thành đimetylamin khi thủy phân, điều này cũng gây ra những khó khăn để xử lý và thải bỏ [174]

Trong số các dung môi, nước là lành tính nhất, nhiều nhất, và ít tốn kém nhất và lựa chọn tổng hợp với dung môi là nước cho MOFs sẽ là rất lý tưởng Hiện nay nghiên cứu về tổng hợp MOFs như MILs và vật liệu zeolitic imidazolate (ZIFs) tập trung vào các quy trình sử dụng nước ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển [156], [160]

1.2.2.2 Tổng hợp không dung môi

Tổng hợp vật liệu MOFs không sử dụng dung môi rất ít được báo cáo,

tuy nhiên có thể giảm thiểu số lượng sử dụng bằng các phương pháp như nghiền cơ học [21], [49] và thường thì các nhà nghiên cứu hướng tới sử dụng nước làm dung môi chính trong quá trình tổng hợp

Việc không sử dụng dung môi sẽ gây khó khăn cho việc tổng hợp vật liệu MOFs có độ tinh thể và cấu trúc cao Tuy nhiên, trong một số phương pháp có thể không sử dụng hoặc sử dụng lượng ít dung môi làm xúc tác cho quá trình phản ứng Phương pháp tổng hợp cơ học (phương pháp phay bi) đã được thực hiện để chế tạo một số MOFs giáp tạo ra sản phẩm phụ duy nhất là nước [20] Một số phương pháp cụ thể trong tổng hợp bằng cơ học như: nghiền bi (không dùng dung môi); nghiền bi có hỗ trợ chất lỏng (sử dụng các dung môi để tăng khả năng phản ứng); nghiền có thêm muối và chất lỏng; và phương pháp đùn và nén để sản xuất quy mô pilot

1.2.2.3 Sử dụng các gốc kim loại loại an toàn

Các gốc kim loại, ion kim loại cần được xem xét khi sử dụng để tổng hợp MOFs, vì các sản phẩm phụ độc hại có thể gây hại cho con người và hệ sinh thái nói chung Ca, Mn, Mg, Fe, và Zr được công nhận là các ion kim loại có tính tương hợp sinh học cao phù hợp cho các ứng dụng sinh học do mức liều gây chết người cao đáng kể của chúng (> 1g/ kg) [79] Vì MOFs là vật liệu tương đối mới nên những rủi ro tiềm ẩn của chúng đối với hệ sinh thái và đời sống con người vẫn chưa được hiểu rõ

Các gốc muối cũng được quan tâm khi tổng hợp MOFs theo hóa học xanh Các muối nitrat, peclorat, hoặc muối clorua được quan tâm hàng đầu vì chúng thường được sử dụng để tổng hợp các phức chất phối trí do có tính hòa tan cao của chúng và tương tác yếu Muối axetat, cacbonat, hydroxit,và các oxit cũng có thể được sử dụng làm tiền chất kim loại thay thế kết hợp với các phân tử liên kết để tạo ra MOF, chỉ tạo ra nước như một sản phẩm phụ [88]

1.2.2.4 Sử dụng các phối tử hữu cơ an toàn

Ngoài sự lựa chọn của các ion kim loại, việc lựa chọn các phối tử hữu cơ cũng đóng một vai trò thiết yếu trong việc xác định cấu trúc liên kết của MOF Các axit cacboxylic đa chức (ví dụ, axit terephtalic và axit trimesic) là phối tử thông thường và phổ biến nhất cho tổng hợp MOFs Việc lựa chọn những phối tử hữu cơ phức tạp cũng gián tiếp ảnh hưởng đến chi phí chế tạo phối tử, chế tạo MOFs và là nguyên nhân chính dẫn đến giá thành cao và ô nhiễm môi trường

1.2.2.5 Sử dụng phương pháp tổng hợp tiết kiệm năng lượng

Hiện này, phương pháp nhiệt dung môi đang là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp vật liệu khung cơ kim Mặc dù phương pháp này an toàn trong phòng thí nghiệm, tuy nhiên lại đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với việc sản xuất với quy mô lớn Chính vì vậy, các phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ, áp suất thấp được quan tâm hơn khi định hướng sản xuất công nghiệp cho vật liệu MOFs như hồi lưu, siêu âm… Việc giảm mức tiêu thụ năng lượng có thể chủ yếu đạt được bằng cách tổng hợp ở nhiệt độ thấp nhất có thể nhưng cũng sử dụng các phương pháp ứng dụng năng lượng thay thế như siêu âm hoặc cơ học

1.2.3 Vật liệu khung cơ kim trên cơ sở Fe tổng hợp theo quy trình xanh

Đối với vật liệu khung cơ kim trên cơ sở sắt, đã có một số nghiên cứu áp dụng quy trình hóa học xanh trong tổng hợp vật liệu Hầu hết các hợp chất này dựa trên cấu trúc vô cơ được hình thành bởi ba khối đa diện FeO6 Vật liệu Fe-MIL-53-Br được tổng hợp dựa trên axit bromoterephthalic và muối FeCl3.6H2O bằng phương pháp hồi lưu trong thời gian 48 giờ với dung môi là nước Tuy nhiên, sản phẩm thu được có lượng axit dư lớn nên cần sử dụng dung môi DMF để tinh chế [43]

Vật liệu MIL-88-A có công thức [Fe3O(OH(H2O)2(O2C-C2H2-CO2)3] có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng sắt clorua và axit fumaric trong nước

ở nhiệt độ thấp tới 65°C sau 2-72 giờ [75] Một hợp chất dựa trên sắt khác cũng rất được quan tâm là MIL-100(Fe) có công thức là [Fe3O(OH) (H2O)2(BTC)2] với các đơn vị cấu tạo trimeric sắt kết hợp với 1,3,5 -benzenetricarboxylic Vật liệu này thường được tổng hợp từ sắt kim loại, axit nitric, axit trimesic và nước ở điều kiện phản ứng 150 °C trong 12 giờ [158], [196] Gần đây một số nghiên cứu đã tổng hợp thành công vật liệu MIL-100(Fe) ở nhiệt độ phòng Yuan và đồng sự đã sử dụng p-benzoquinone là chất oxy hóa xúc tác để tổng hợp MIL-100(Fe) ở nhiệt độ phòng, kết quả cho vật liệu có diện tích bề mặt riêng cao đạt 2482 m2/g và có thể ứng dụng trong thu hồi C2H6 và C3H8 từ khí tự nhiên [198] Một phương pháp đầy hứa hẹn khác để tổng hợp Fe-MIL100 là phương pháp solgel Zheng và các cộng sự đã sử dụng muối FeSO4 và axit 1,3,5-benzen tricarboxylic chỉ sử dụng dung môi là nước ở nhiệt độ phòng thu được vật liệu dưới dạng sol-gel, qua quá trình rửa, ly tâm và sấy vật liệu thu được có độ bền cơ học, độ xốp và độ ổn định nhiệt cao và có khả năng hấp phụ các hợp chất VOC với dung lượng cao 615 mg/g đối với benzene, 603 mg/g đối với toluene và 620 mg/g đối với p-xylen [203]

Một ví dụ khác về việc điều chỉnh các điều kiện tổng hợp theo quy trình xanh để tổng hợp vật liệu MIL-127 có công thức phân tử là [Fe3O(OH) (H2O)2(ATC)1,5] dựa trên các đơn vị cấu tạo là trimeric sắt và axit azobenzenetetracarboxylic 3,3 ′, 5,5 ′ (H4ATC) Vật liệu này có thể tổng hợp được bằng cách khuấy sắt clorua và muối natri azobenzenetetracarboxylat sử dụng hỗn hợp dung môi nước và 2-propanol ở 85°C trong bình phản ứng kín sau 24 giờ [34] Trong khi đó, phương pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu này là sử dụng phương pháp hồi lưu trong DMF sau 20 giờ [44]

1.3 Vật liệu mang thuốc

1.3.1 Một số vật liệu làm chất mang thuốc

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano và y học nano, nhiều

nghiên cứu đã tập trung vào việc xây dựng các hệ mang thuốc nano với mục đích giải phóng thuốc có kiểm soát nhằm nâng cao hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ [80, 109]

Hình 1.4 Một số vật liệu làm chất mang thuốc

(A: Liposome, B: Nano lipid, C: Nano Polyme, D: Hạt Silica từ tính, E: Nano cacbon)

Cho đến nay, nhiều vật liệu khác nhau đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng mang thuốc (hình 1.4), bao gồm cả vật liệu hữu cơ (chẳng hạn như liposome [2], [102], polyme [36], [97], dendrimers [153], cyclodextrin [205], vật liệu vô cơ (như graphene [80], ôxít sắt [52], v.v.) Vật liệu hữu cơ thường có các đặc tính như có thể phân hủy sinh học, độc tính thấp, có thể thay đổi về mặt hóa học, v.v [23], nhưng lại khó khăn trong việc kiểm soát giải phóng thuốc Ngược lại, các vật liệu vô cơ có tính ổn định cao, lại có thêm một số tính chất quang và từ tính nên có thể thuận lợi cho việc theo dõi, kiểm soát giải phóng thuốc, tuy nhiên tính tương hợp sinh học thường lại không được như mong muốn [137]

Trong vài thập kỷ gần đây nhân loại đã chứng kiến sự phát triển mạnh