Chitosan và oligochitosan là những polyme có nguồn gốc thiên nhiên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chúng được dùng làm chất kháng khuẩn, chất chống oxi hóa, chất ức chế khối u, chất gây hiệu ứng tăng cường miễn dịch, chất kích kháng bệnh và thúc đẩy tăng trưởng cho cây trồng, chất mang dược phẩm… Đặc biệt oligochitosan có độ polyme hóa từ 7 – 10 có hiệu ứng chống xâm nhiễm nhiều loại nấm gây bệnh thực vật thông qua cơ chế tự tạo kháng sinh (phytoalexin). Hàng năm, có khoảng 10 tỉ tấn chitin được sản xuất trên thế giới, là nguồn nguyên liệu dồi dào để chế tạo chitosan. Chitosan thông thường có khối lượng phân tử rất cao, chỉ tan trong một số dung môi nhất định, hạn chế khả năng ứng dụng. Xử lý bức xạ có khả năng biến tính cắt mạch chitosan, mở rộng phạm vi ứng dụng.
Chitosan với tư cách là một nguyên liệu thô có tính chất đặc biệt đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong lĩnh vực xử lý bức xạ và phát triển các sản phẩm polyme tự nhiên, cũng như các chuyên gia làm việc trong lĩnh vực bảo vệ bức xạ và bác sĩ ung thư. Đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến chitosan khối lượng phân tử thấp mà vẫn giữ được cấu trúc hóa học; dạng hợp chất như vậy đang thúc đẩy phản ứng sinh học, vật lý và hóa học của sản phẩm. Chitosan bị phân hủy thành các mảnh dưới tác dụng của tia γ hoặc chùm tia điện tử. Các đặc tính kháng khuẩn của sản phẩm được áp dụng trong sản xuất hydrogel để băng bó vết thương và các đặc tính chữa lành bổ sung có thể đạt được bằng cách kết hợp các cụm bạc liên kết chitosan trong ma trận hydrogel. Một ứng dụng khả thi khác của chitosan là làm giảm tác hại của bức xạ đối với nhân viên bức xạ hoặc bệnh nhân được chữa khỏi bằng bức xạ. Trong trường hợp đồng vị phóng xạ, vật liệu dựa trên chitosan qua đường miệng hoặc đường hô hấp có thể được sử dụng làm chất thải sắt.
Ứng dụng của Chitosan xử lý bức xạ
Hiện nay, nhiều phương pháp cắt mạch chitosan đã được nghiên cứu và áp dụng trên thế giới. Trong đó, phương pháp hóa học sử dụng phân tử nước và phương pháp chiếu xạ sử dụng bức xạ gamma cắt mạch chitosan để chế tạo oligochitosan gần đây đã được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu và áp dụng vì cho hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và có khả năng thực hiện với quy mô lớn. Ở Việt Nam, xử lý bức xạ đối với chitosan đã được triển khai và đạt được thành công nhất định. Một số sản phẩm được đưa vào ứng dụng như chế phẩm oligochitosan, tên thương mại là RIZASA 3SL, SĐKVN: 1796/11RR do Cục Bảo vệ Thực vật, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cấp phép dùng làm chất kích kháng bệnh cho cây lúa và cho các loại cây khác.
Chitin có tên khoa học là poly-(2,4)-2-acetamido-2-desoxy-β-D-glucose, thuộc về nhóm hợp chất polysaccarit. Trong thiên nhiên, trữ lượng của chitin chỉ đứng thứ hai sau cellulose. Chitin là thành phần chủ yếu trong vỏ của các loại động vật giáp sát như: cua, tôm, bọ cạp,…Chitin cũng được tìm thấy trong vách tế bào của một vài loài nấm hay của một số loài sinh vật khác. Chitosan (CTS) là dẫn xuất của chitin, được chế tạo phổ biến bằng cách đề axetyl hóa một phần từ chitin trong môi trường kiềm đặc. Oligochitosan còn gọi là chitosan oligosaccarit (COS) là sản phẩm giảm cấp của CTS, được chế tạo bằng biến tính cắt mạch CTS sử dụng các tác nhân cắt mạch như enzym, hóa học và bức xạ.
Công thức cấu tạo của CTS và COS
Không giống như chitin, CTS khối lượng phân tử thấp và COS sở hữu các nhóm amino tự do trong cấu trúc. Số nhóm amino này thể hiện vai trò quan trọng trong hoạt tính kháng khuẩn và một số cơ chế mô tả hoạt tính này. Cơ chế được cho là phù hợp nhất giải thích rằng CTS khối lượng phân tử thấp/COS có thể làm thay đổi các đặc tính thấm của màng tế bào vi khuẩn và ngăn cản sự tiếp nhận khoáng chất hoặc gây rò rỉ các thành phần tế bào mà cuối cùng dẫn đến cái chết của vi khuẩn. Một cơ chế khác về hoạt tính kháng khuẩn của COS là ngăn chặn việc sao chép RNA do sự hấp phụ của COS thâm nhập vào DNA của vi khuẩn. Để thỏa mãn cơ chế này, khối lượng phân tử của CTS phải nhỏ hơn một giá trị giới hạn, cho phép các phân tử xâm nhập vào trong tế bào vi khuẩn.
CTS là polyme có tầm ứng dụng phổ biến và ngày càng được mở rộng dựa vào việc biến tính cắt mạch vật liệu. Cho đến nay nhiều phương pháp biến tính cắt mạch CTS đã được áp dụng bao gồm:
- Phương pháp sử dụng tác nhân hóa học như HCl, HCl-H3PO4, HNO2, H2O2…
- Phương pháp dùng tác nhân sinh học sử dụng các enzym như: cellulase, lysosyme, lipase.
- Phương pháp siêu âm
- Phương pháp vi sóng
- Phương pháp chiếu xạ (γCo60, electron beam)
Phương pháp cắt mạch hóa học được cho là phương pháp đơn giản nhất. Tuy nhiên, phương pháp này thường gặp bất lợi do quá trình cắt mạch thường kèm theo sự thay đổi cấu trúc của CTS, thường là bị đề amin hóa và thậm chí là phá vỡ vòng glucopyranose. Ngoài ra, phương pháp cắt mạch hóa học còn có những hạn chế nữa là hiệu suất thấp và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường là khá cao. Phương pháp sinh học sử dụng các enzym cắt mạch cho hiệu suất khá cao nhưng giá thành đắt hơn so với phương pháp hóa học. Phương pháp chiếu xạ hiện được xem là kỹ thuật hữu hiệu để cắt mạch CTS trên quan điểm thân thiện với môi trường và ít gây ra sự thay đổi trong cấu trúc chính của phân tử CTS.
Chế tạo và biến tính vật liệu chitosan
Chế tạo CTS nguồn từ chitin: Pha chitin với dung dịch kiềm 50%, trưng nhiệt và làm sạch, nghiền mịn.
Cắt mạch CTS nguồn bằng hydro peroxit: CTS thêm dung dịch H2O2 2%, điều chỉnh pH phù hợp, sau thời gian phản ứng, rửa sạch và sấy khô.
Hiệu ứng đồng vận chế tạo COS bằng chiếu xạ dung dịch: Hòa tan CTS trong dung dịch axit lactic, thêm H2O2. Tiến hành chiếu xạ trên nguồn Co-60. Dung dịch sau khi chiếu xạ được kết tủa bằng NH4OH, thêm một cồn, lọc kết tủa và rửa sạch, sấy khô.
Chitosan (20 và 100 cp, 2%) được chiếu xạ trong dung dịch axit axetic (2%) với các liều lượng khác nhau (2–200 kGy) bằng tia gamma (Co-60). Độ nhớt giảm nhanh chóng được quan sát thấy khi liều lên đến 10 kGy và sau đó độ nhớt giảm dần chậm lại khi tăng liều chiếu xạ. Hiệu suất của chitosan dimer, trimer và tetramer lần lượt là 3,6, 3,0 và 1,8% ở liều 100 kGy trong dung dịch chitosan 100 cp.
Sự thay đổi của độ nhớt khối lượng (MV) của Chitosan theo liều chiếu xạ (Nguồn: GS.TS. Nguyễn Quốc Hiến)
Ứng dụng y tế và chăm sóc sức khỏe Y học: Chăm sóc sức khỏe con người và an toàn thực phẩm là những ứng dụng hứa hẹn nhất của chitosan. Các sản phẩm dự kiến hoặc được triển khai bao gồm các lĩnh vực khác nhau liên quan đến sức khỏe con người từ bảo quản thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm đến sản xuất dược phẩm phóng xạ.
Bảo vệ bức xạ: Phơi nhiễm bức xạ bên ngoài và bên trong chủ yếu liên quan đến bệnh nhân ung thư được điều trị bằng bức xạ và công nhân ngành công nghiệp hạt nhân. Gần đây, cộng đồng quốc tế rất lo ngại về việc các tổ chức khủng bố có thể sử dụng bom bẩn và đang tìm kiếm các biện pháp phòng ngừa khả thi. Phân tích các đặc tính phóng xạ của chitosan đã chỉ ra rằng hợp chất này bằng cách chuyển đổi gốc tự do cho đến khi hình thành một số sản phẩm cuối cùng của quá trình chiếu xạ chitosan có thể bảo vệ DNA.
Ứng dụng môi trường: Sự hấp phụ của Cr(VI) lên chitosan liên kết ngang được tổng hợp bằng chiếu xạ gamma với sự có mặt của carbontetrachloride đã được nghiên cứu và ứng dụng. Sự hấp phụ của chitosan liên kết ngang (CRC) và sản phẩm thủy phân của nó (CRCH) đã được so sánh với chitosan tự nhiên. Sự hấp phụ tối đa của Cr(VI) trên gel chitosan liên kết ngang xảy ra ở pH3 đã cho phép sử dụng chitosan liên kết ngang để xử lý nước thải có chứa Cr(VI).
Ứng dụng công nghệ hạt nhân: Các dẫn xuất chitosan có thể được ứng dụng làm chất hấp thụ tiềm năng cho quá trình cô đặc trước urani. Nhựa chitosan được tạo dẫn xuất với nửa serine (chitosan kiểu serine) mới được phát triển bằng cách sử dụng chitosan liên kết ngang làm vật liệu cơ bản. Sự hấp phụ của một lượng nhỏ các ion kim loại trên nhựa chitosan loại serine đã được kiểm tra một cách có hệ thống bằng cách đóng gói, cho dung dịch kim loại đi qua và đo các ion kim loại trong nước thải bằng ICP-MS.
Từ khóa: Xử lý bức xạ; Chitosan; Chiti; chiếu xạ;
– CMD&DND –
