Danh pháp

Tên chung quốc tế

Titanium Dioxide

Tên danh pháp theo IUPAC

dioxotitanium

Mã UNII

15FIX9V2JP

Mã CAS

13463-67-7

Cấu trúc phân tử

Công thức phân tử

TiO2

Phân tử lượng

79.866 g/mol

Cấu trúc phân tử

Titanium dioxide là một oxit titan có công thức TiO2.

Các tính chất phân tử

Số liên kết hydro cho: 0

Số liên kết hydro nhận: 2

Số liên kết có thể xoay: 0

Diện tích bề mặt tôpô: 34.1Ų

Số lượng nguyên tử nặng: 3

Các tính chất đặc trưng

Điểm nóng chảy: 1855 °C

Điểm sôi: 2500-3000 °C

Tỷ trọng riêng: 3.9-4.3 g/cm³

Hằng số phân ly pKa: -7.7

Dạng bào chế

Kem: 7.0 g/100g

Độ ổn định và điều kiện bảo quản

Độ ổn định:

• Hóa học: Titanium dioxide rất ổn định với hầu hết các hóa chất. Tuy nhiên, nó có thể phản ứng với một số chất oxi hóa mạnh và axit mạnh.
• Nhiệt độ: Ở nhiệt độ cao, TiO₂ có thể phản ứng với các vật liệu khác. Tuy nhiên, nó chịu nhiệt tốt và không dễ cháy.
• Ánh sáng: Titanium dioxide có khả năng phản xạ ánh sáng rất tốt, nhưng nó không dễ bị phân giải dưới tác động của ánh sáng.

Điều kiện bảo quản:

• Nhiệt độ: Nên bảo quản ở nhiệt độ phòng và tránh tiếp xúc với nhiệt độ cao.
• Độ ẩm: Bảo quản ở nơi khô ráo. Dù TiO₂ không dễ bị hòa tan trong nước, nhưng độ ẩm cao có thể ảnh hưởng đến tính năng của nó trong một số ứng dụng.
• Bao bì: Đựng trong bao bì kín đáo, chống thấm nước và không cho phép hơi ẩm hoặc bụi bẩn xâm nhập.
• Tránh xa: Các chất oxi hóa mạnh, axit mạnh, và các chất hóa học khác có thể tương tác với TiO₂.

Nguồn gốc

Titanium dioxide là gì? Titanium, nguyên tố mà titanium dioxide bắt nguồn, được phát hiện bởi dược sĩ và nhà khoa học người Anh William Gregor vào năm 1791 khi ông nghiên cứu một khoáng vật có tên ilmenite (FeTiO₃) từ Cornwall, Anh. Đến năm 1795, nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth độc lập phát hiện ra nguyên tố này khi nghiên cứu khoáng vật rutile và đặt tên cho nó là “Titanium” sau những vị thần Titan trong thần thoại Hy Lạp.

Dù được phát hiện vào cuối thế kỷ 18, việc sản xuất titanium dioxide một cách thương mại không thực sự bắt đầu cho đến thế kỷ 20. Khó khăn trong việc tách titanium khỏi oxit của nó đã làm chậm tiến trình này.

Sự phát triển công nghiệp của TiO₂ như một chất tạo màu bắt đầu vào đầu thế kỷ 20. Nó được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng vì độ trắng tinh khiết, độ phủ tốt, và ổn định hóa học cao của nó. Nhờ những tính chất này, TiO₂ nhanh chóng trở thành chất tạo màu trắng phổ biến nhất và được sử dụng trong một loạt các sản phẩm từ sơn, mực in, giấy, và nhiều sản phẩm khác.

Bên cạnh việc sử dụng như một chất tạo màu, TiO₂ cũng được biết đến như là một chất lọc UV hiệu quả, đặc biệt trong kem chống nắng. Trong những năm gần đây, nhờ công nghệ nano, titanium dioxide cũng được nghiên cứu và phát triển trong các ứng dụng y tế và môi trường, chẳng hạn như trong điều trị ung thư dựa trên việc sử dụng quang hóa trị liệu hoặc trong việc phân giải chất gây ô nhiễm trong nước.

Dược lý và cơ chế hoạt động

Titanium dioxide có tác dụng gì? Titanium dioxide (TiO₂) không có cơ chế tác dụng dược lý truyền thống như hầu hết các thuốc. Tuy nhiên, nó có một số ứng dụng và tác động đặc biệt trong lĩnh vực y học và mỹ phẩm, dựa trên các tính chất vật lý và hóa học của nó:

Titanium dioxide là gì trong mỹ phẩm? Chất lọc tia cực tím (UV): Khi sử dụng Titanium dioxide trong kem chống nắng, titanium dioxide hoạt động như một chất lọc tia UV vật lý. Khác với các chất lọc hóa học, chất lọc vật lý phản xạ và tán xạ ánh sáng UV, ngăn chặn nó tiếp xúc với da. Cơ chế này giống như cách một tấm gương hoạt động, phản xạ ánh sáng ra khỏi bề mặt. Kết quả là titanium dioxide giúp bảo vệ làn da khỏi tác động có hại của tia UV, ngăn ngừa lão hóa da sớm và giảm nguy cơ ung thư da.

Hoạt động quang xúc tác: Dưới tác động của ánh sáng UV, TiO₂ có thể tạo ra các gốc tự do và các dạng oxy hoạt động. Trong một số ứng dụng, khả năng này có thể được sử dụng để tiêu diệt vi khuẩn hoặc phân giải các chất gây ô nhiễm. Tuy nhiên, khả năng tạo ra gốc tự do này cũng có thể gây ra lo ngại về sức khỏe khi sử dụng trên da, dẫn đến tác động oxy hóa. Vì lý do này, nhiều sản phẩm chứa TiO₂ được cải tiến để giảm hoặc ngăn chặn hoạt động quang xúc tác này.

Tính năng chất độn và tạo màu: Trong ngành dược phẩm, TiO₂ thường được sử dụng như một chất độn hoặc chất tạo màu để cải thiện tính chất vật lý và ngoại quan của sản phẩm. Tuy nó không có tác dụng dược lý trực tiếp, nhưng sự hiện diện của nó có thể ảnh hưởng đến quá trình giải phóng dược liệu hoặc sự hấp thụ của sản phẩm.

Ứng dụng trong y học

Titanium dioxide (TiO₂) đã trở thành một trong những hợp chất không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, với một loạt các ứng dụng từ sơn, mỹ phẩm, thực phẩm, và quan trọng nhất là trong lĩnh vực y học. Những đặc điểm vật lý và hóa học độc đáo của TiO₂ đã mở ra nhiều cơ hội cho nó trở thành một công cụ quý giá trong ngành y tế.

Một trong những ứng dụng tiêu biểu và phổ biến nhất của Titanium dioxide trong mỹ phẩm là chất lọc tia cực tím. Tia cực tím (UV) từ mặt trời là một trong những nguyên nhân chính gây lão hóa da và ung thư da. TiO₂ hoạt động như một chất cản trở vật lý, phản xạ và tán xạ tia UV, giúp bảo vệ làn da khỏi tác động có hại từ mặt trời. Chính vì tính chất này, nó đã trở thành một thành phần không thể thiếu trong nhiều sản phẩm kem chống nắng trên thị trường.

Tiếp theo, nhờ vào khả năng tạo màu trắng tinh khiết, TiO₂ còn được sử dụng làm chất độn và tạo màu trong ngành công nghiệp dược phẩm. Viên thuốc và viên nén thường sử dụng TiO₂ để có màu trắng đẹp mắt và đồng nhất, giúp tạo ra sự tin tưởng từ bên trong và ngoại hình đẹp mắt cho sản phẩm.

Một trong những tiến bộ mới nhất và đầy hứa hẹn của TiO₂ trong y học là trong lĩnh vực nanomedicine. Các hạt nano của TiO₂ đã được nghiên cứu rộng rãi như một phương tiện vận chuyển dược chất tiểu phân tử. Với kích thước siêu nhỏ của mình, chúng có thể vận chuyển thuốc hoặc chất hoạt động khác đến các tế bào hoặc mô mục tiêu mà không gây tác động đến các tế bào khác. Điều này không chỉ giúp tăng hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc trên cơ thể. Những nghiên cứu đầu tiên đã cho thấy sự hiệu quả của các hạt nano TiO₂ trong việc vận chuyển dược chất tiểu phân tử, mở ra một hướng đi mới trong việc phát triển các liệu pháp điều trị hiệu quả hơn.

Không chỉ vậy, TiO₂ còn được xem xét làm một chất chống khuẩn. Trong một số điều kiện, khi được kích thích bởi ánh sáng, TiO₂ có thể tạo ra các gốc tự do có khả năng tiêu diệt các vi khuẩn. Chính vì vậy, việc sử dụng các bề mặt được phủ TiO₂ trong môi trường y tế, như trong các bệnh viện, có thể giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm khuẩn, đặc biệt trong những khu vực yêu cầu độ sạch cao như phòng mổ.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng đang được thực hiện để khám phá khả năng sử dụng TiO₂ trong việc cảm biến sinh học. Các hạt nano TiO₂ có thể được sửa đổi để phát hiện các dấu hiệu sinh học cho các bệnh như ung thư, bệnh tim mạch và nhiều bệnh lý khác. Sự hiện diện của những dấu hiệu này có thể được liên kết với sự thay đổi màu sắc hoặc tính chất vật lý khác của hạt nano, cho phép các bác sĩ và nhà nghiên cứu phát hiện sự hiện diện của bệnh trong giai đoạn rất sớm.

Dược động học

Hấp thu

Khi cả chuột đực và chuột cái tiêu thụ thức ăn chứa titanium dioxide (100 g/kg) trong khoảng 32 ngày, chỉ có một lượng nhỏ titan được tìm thấy ở mô cơ bắp, với hàm lượng lần lượt là 0,06 và 0,11 mg/kg trọng lượng. Không có dấu hiệu ứ đọng của titan ở gan, lá lách, thận, xương, huyết tương hay hồng cầu.

Phân bố

Sau khi chuột được tiêm titan dioxide qua đường tĩnh mạch với liều lượng 250 mg/kg trọng lượng cơ thể, lượng titan cao nhất được phát hiện ở gan sau 6 giờ. 24 giờ sau, hàm lượng cao nhất lại xuất hiện ở các hạch bạch huyết, nơi có chức năng lọc các tạp chất ra khỏi gan.

Chuyển hóa

Sau khi chuột được tiêm titan dioxide với liều 1,60 g/100 g trọng lượng cơ thể qua màng bụng, các bộ phận như gan, lá lách và phổi được lấy ra để phân tích. Các gốc oxy hoạt động được thu từ phế nang phổi và được đánh giá dựa trên phản ứng với nitroblue tetrazolium và phân tích hình ảnh. Mặc dù titan có mặt ở các mô này, không có dấu hiệu tổn thương mô. Ngay cả khi có sự gia tăng gốc oxy hoạt động ở phế nang phổi do TiO₂, không có sự thay đổi ở cấu trúc mô.

Thải trừ

Sau khi chuột tiếp xúc với titanium dioxide ở liều 10 và 50 mg/m3, quá trình thải trừ từ phổi được theo dõi trong vòng 140 ngày. Thời gian nửa đời đầu tiên là 14 ngày, và 88 ngày cho giai đoạn tiếp theo.

Độ thanh thải khỏi phổi cũng được nghiên cứu khi chuột hít phải liều 15 hoặc 100 mg/m3. Sau một lần tiếp xúc, khoảng 40-45% hạt lắng đọng đã được loại bỏ khỏi phổi trong 25 ngày. Ở mức 15 mg/m3, 0,7% hạt được tìm thấy trong hạch bạch huyết, cho thấy hạt titan dioxide di chuyển từ phế nang sang hệ thống bạch huyết và một phần được thải trừ qua đường bạch huyết. Ở mức 100 mg/m3, quá trình này chậm lại. Một số nghiên cứu cũng xác định titanium dioxide trong hệ thống bạch huyết của công nhân làm việc với chất màu này.

Phương pháp sản xuất

Titanium, một nguyên tố thiết yếu, chủ yếu được khai thác ở những nước như Úc, Nam Phi và Canada. Khác với hình dung thông thường, titanium không tồn tại dưới dạng nguyên tố trong tự nhiên. Thay vào đó, khi khai thác từ lòng đất, nó thường kết hợp với nhiều tạp chất. Để thu được dạng tinh khiết của titanium, cần áp dụng các phương pháp tinh chế như quy trình sulfat và quy trình clorua. Đơn giản mà nói, quá trình này có thể được biểu diễn qua các phản ứng hóa học sau:

• FeTiO3 + 2H2SO4 → FeSO4 + TiOSO4 + 2H2O
• TiOSO4 + (n + 1) H2O → H2SO4 + TiO2.nH2O
• TiO2 • nH2O → TiO2 + nH2O

Độc tính ở người

Titanium dioxide có hại không? Tính đến năm 2006, titanium dioxide (TiO₂) được đánh giá là “an toàn tuyệt đối”. Nó xuất hiện rộng rãi trong các khoáng sản và thậm chí trong một số loại đá quý. Phần lớn titanium tự nhiên, chiếm hơn 0,5% vỏ trái đất, hiện diện dưới hình thức oxit. Dù không có chứng cứ nào về độc tính cấp tính, sự quan ngại vẫn đặt lên dạng nano của chất này. Nghiên cứu trên những người công nhân tiếp xúc với hạt TiO₂ cho thấy, mức tiếp xúc cao cũng không gây hại cho sức khỏe con người.

Tuy nhiên, từ ngày 7 tháng 2 năm 2022, Liên minh Châu Âu đã quyết định hạn chế việc sử dụng titanium dioxide (E171) trong thực phẩm, với một khoảng thời gian gia hạn kéo dài sáu tháng.

Đáng chú ý, Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) đã phân loại bụi titanium dioxide khi hít vào là chất gây ung thư Nhóm 2B, tức là có khả năng gây ung thư cho con người. Viện An toàn và Sức khỏe Lao động Quốc gia Hoa Kỳ (NIOSH) đề xuất hai mức giới hạn phơi nhiễm: 2,4 mg/m3 cho hạt TiO₂ mịn và 0,3 mg/m3 cho TiO₂ siêu mịn, dựa trên tiêu chuẩn phơi nhiễm trung bình trong 10 giờ mỗi ngày và 40 giờ mỗi tuần.

Đáng lưu ý, sau quyết định của Liên minh Châu Âu vào năm 2022, hai bang California và New York của Hoa Kỳ đang xem xét việc hạn chế sử dụng titanium dioxide trong thực phẩm kể từ tháng 5 năm 2023.

Tương tác với thuốc khác

Tương tác với các tá dược khác: Trong hầu hết các trường hợp, TiO₂ không tương tác trực tiếp với các dược chất trong viên thuốc. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sự hiện diện của nó có thể ảnh hưởng đến sự giải phóng hoặc sự hấp thu của một số dược phẩm, đặc biệt khi chúng ở dạng nano.

Tương tác với các hợp chất khác trong kem chống nắng: Khi sử dụng trong kem chống nắng, TiO₂ có thể kết hợp với các chất chống nắng hóa học. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa TiO₂ và chất chống nắng hóa học có thể tạo ra các gốc tự do khi tiếp xúc với ánh sáng UV, có thể gây kích ứng da hoặc tác động tiêu cực đến sức khỏe.

Lưu ý khi sử dụng Titanium Dioxide

Khi quyết định chọn kem chống nắng có chứa Titanium Dioxide, hãy lựa sản phẩm dạng kem chống nắng vật lý với ghi chú “Non-nano” trên bao bì. Đồng thời, tùy vào loại da của bạn, hãy cân nhắc kỹ trước khi đưa ra lựa chọn.

Theo Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA), nồng độ Titanium Dioxide trong kem chống nắng không nên vượt quá 25%. Và Titanium dioxide trong thực phẩm chỉ nên chiếm không quá 1% tổng sản phẩm, theo khuyến cáo từ FDA.

Khi sử dụng sản phẩm chứa Titanium Dioxide, đặc biệt là kem chống nắng hay kem nền, hãy chăm sóc da đúng cách. Bắt đầu bằng việc làm sạch da bằng nước tẩy trang và sữa rửa mặt, sau đó dưỡng da. Đợi khoảng 10-15 phút sau khi thoa kem chống nắng chứa Titanium Dioxide trước khi ra ngoài. Cuối cùng, sau khi trở về, nhớ làm sạch sâu da mặt để đảm bảo da luôn sạch sẽ và khỏe mạnh.

Một vài nghiên cứu của Titanium Dioxide trong Y học

Bề mặt cấy ghép titan dioxide liên quan đến stress oxy hóa trong quá trình tu sửa xương: đánh giá có hệ thống

Bối cảnh: Cấy ghép nha khoa bằng titan dioxide có tác dụng gây tranh cãi đối với việc sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS). ROS cần thiết cho việc truyền tín hiệu tế bào và trao đổi chất thích hợp, nhưng cũng có khả năng gây chết tế bào cũng như làm tổn thương DNA, RNA và protein do stress oxy hóa quá mức. Nghiên cứu này nhằm mục đích xem xét một cách có hệ thống ảnh hưởng của stress oxy hóa do cấy ghép nha khoa titan dioxide gây ra và vai trò của nó đối với sự kết hợp tạo xương-tạo mạch trong quá trình tái tạo xương.

Phương pháp: Đánh giá hệ thống này được thực hiện tuân theo các mục báo cáo ưu tiên dành cho mô hình đánh giá hệ thống và phân tích tổng hợp (PRISMA). Bốn cơ sở dữ liệu khác nhau (cơ sở dữ liệu PubMed, Science Direct, Scopus và Medline) cũng như tìm kiếm thủ công đã được áp dụng. Các nghiên cứu liên quan từ tháng 1 năm 2000 đến tháng 9 năm 2021 đã được sử dụng. Chương trình Kỹ năng Đánh giá Quan trọng (CASP) đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của các nghiên cứu được lựa chọn.

Kết quả: Trong số 755 bài báo, chỉ có 14 bài đáp ứng đủ tiêu chí được đưa vào. Sáu nghiên cứu đã phát hiện ra rằng ống nano titan dioxide (TNT) làm giảm stress oxy hóa và thúc đẩy hoạt động của nguyên bào xương thông qua tác động của nó lên Wnt, protein kinase hoạt hóa bằng mitogen (MAPK) và đường dẫn tín hiệu protein hộp đầu não O1 (FoxO1).

Mặt khác, ba nghiên cứu đã xác nhận rằng các hạt nano titan dioxide (TiO2NP) gây ra stress oxy hóa, giảm quá trình tạo xương và làm suy yếu hệ thống miễn dịch chống oxy hóa vì đã tìm thấy mối tương quan nghịch đáng kể giữa mức protein SIR3 giảm và mức superoxide tăng (O2 •-).

Hơn nữa, năm nghiên cứu đã chứng minh rằng hợp kim cấy ghép titan giúp tăng cường tạo ra ROS và gây độc tế bào cho các tế bào nguyên bào xương thông qua tác động của nó lên con đường NOX.

Kết luận: TiO2NP kích thích một loạt các con đường liên quan đến stress oxy hóa. Bằng chứng khoa học ủng hộ việc sử dụng cấy ghép titan phủ ống nano TiO2 để giảm stress oxy hóa và thúc đẩy quá trình tạo xương trong quá trình tái tạo xương. Để xác nhận sự trao đổi chéo giữa tế bào và phân tử trong quá trình tái tạo xương của tổng quan hiện tại, cần có các thử nghiệm lâm sàng được kiểm soát tốt với cỡ mẫu lớn.

Tài liệu tham khảo

1. Abdulhameed, E. A., Al-Rawi, N. H., Omar, M., Khalifa, N., & Samsudin, A. B. R. (2022). Titanium dioxide dental implants surfaces related oxidative stress in bone remodeling: a systematic review. PeerJ, 10, e12951. https://doi.org/10.7717/peerj.12951
2. Drugbank, Titanium Dioxide, truy cập ngày 5 tháng 10 năm 2023.
3. Pubchem, Titanium Dioxide, truy cập ngày 5 tháng 10 năm 2023.
4. Bộ Y Tế (2012), Dược thư quốc gia Việt Nam, Nhà xuất bản Y học, Hà Nội