CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Định nghĩa Polymer hay polyme là khái niệm được dùng cho những hợp chất mà phân tử của chúng gồm những nhóm nguyên tử được nối với nhau bằng những liên kết hóa học tạo thành những mạch dài và có khối lượng phân tử lớn. Trong mạch chính của polyme những nhóm nguyên tử này được lặp đi lặp lại nhiều lần. Tên gọi polymer xuất phát từ tiếng Hy Lạp, trong đó poly được lấy từ “polus” có nghĩa là nhiều, mer lấy từ “meros” nghĩa là phần, nghĩa là các phần tử lớn được tạo thành tự sự lặp lại của nhiều phân tử con. Các đơn vị tạo ra polymer có nguồn gốc từ các phân tử có khối lượng tương đối thấp.2 Phân loại Polyme nói chung rất đa dạng và phong phú.
Tùy theo từng tính chất hoặc khả năng ứng dụng mà ta có thể chia ra như sau :[2] 1.1 Phân loại dựa vào thành phần hóa học Polymer mạch carbon (Polymer đồng mạch) :Là các polymer mà trong mạch chính chỉ có các nguyên tử carbon như PE, PP, PS, NR, … Polymer dị mạch: Là các polymer mà trong mạch chính có chứa các nguyên tử khác carbon như N,O,… : Polyester, polyamide,… 1.2 Phân loại dựa vào cấu trúc Polyme mạch thẳng: mạch phân tử dài, tính bất đẳng hướng rất cao : NR,. Polyme mạch nhánh: có mạch chính dài và có những mạch nhánh phụ ở hai bên mạch chính: Amilopectin… Polyme mạch không gian(polyme mạng lưới): cấu tạo từ các mạch đại phân tử kết hợp với nhau bằng liên kết hóa học ngang tạo thành mạch không gian ba chiều : nhựa rezolic, nhựa urefomandehyt… 1.3 Phân loại dựa vào thành phần monomer 1 Polyme đồng đẳng (homolymer): khi mạch phân tử chỉ chứa một loại mắt cơ sở (một loại monomer) Polyme đồng trùng hợp (copolymer): trong thành phần mạch phân tử chứa trên hai loại mắt xích cơ sở Homolymer đã sớm được biết từ lâu so với copolymer nhưng vì chỉ mang một tính chất do trong đại mạch phân tử chỉ chứa một loại mắt xích monomer duy nhất. Với yêu cầu tính chất vật liệu ngày càng cao, người ta đã đưa một monomer thứ hai vào đại phân tử nhằm cải thiện những khuyết điểm của hopolymer cũng như tăng thêm tính chất của đại mạch giúp đáp ứng những yêu cầu về việc tạo ra loại vật liệu có thể đáp ứng được những yêu cầu tính chất khác nhau. Khi sự xuất hiện của monomer thứ hai làm cho cấu trúc của đại mạch phân tử có một số thay đổi về đơn vị cấu trúc so với homopolymer, vấn đề về vật liệu đã được giải quyết cũng như có tầm quan trọng đáng kể trong mảng nghiên cứu khoa học và ứng dụng vào đời sống.
Phân loại các nhóm copolymer sau: Alternating copolymer: trong đó 2 mononer sắp xếp, phân bố một cách xen kẽ với nhau Statistical copolymer hay Random copolymer: trong đó các monome sắp xếp, phân bố không theo quy tắc nào cả với thứ tự bất kỳ.[3] Block copolymer: gồm các phân tử trong đó có sự sắp xếp tuyến tính cùa các khối, trong đó một phần tử của phân tử polymer được gọi là khối. Trong đó các đơn vị monomer có ít nhất một điểm cấu tạo hoặc cấu trúc không có ở các phần liền kế, tức là mỗi khối có cấu tạo từ một loại polymer đặc trưng.[4] Graft copolymer: gồm các phân tử có một hoặc nhiều dạng khối được đưa vào mạch chính dạng nhánh phụ. Các nhánh phụ này được cấu tạo khác so với mạch chính, tức là monomer làm nhánh phụ có cấu tạo khác với monomer trong mạch chính.4 Phân loại dựa vào các cách sắp xếp các nhóm chức trong không gian Polymer điều hòa lập thể: Isotactic: các nhóm thế chỉ ở một phía so với mạch chính Syndio tactic: các nhóm thế lần lượt ở hai bên so với mạch chính cao phân tử 2 Polymer không điều hòa lập thể (Atactic): các nhóm thế phân bố một cách ngẫu nhiên trên mạch chính.5 Phân loại dựa vào nguồn gốc Polyme thiên nhiên: là các polymer có nguồn gốc xuất phát từ trong cơ thể động thực vật: NR, xenxuloza Polyme nhân tạo: là polyme có nguồn gốc là polyme thiên nhiên và được con người đem cải biến để sử dụng: các loại sợi visco. Polyme tổng hợp: là polymer do con người tổng hợp nên và phát triển: PE, PVC… 1.1 Định nghĩa Hydrogel được định nghĩa là các polyme có cấu trúc không gian ba chiều, có khả năng trương nở trong nước mà không tan cũng như là vẫn duy trì được cấu trúc và tính chất ban đầu của chúng.
Gần đây, vật liệu này đã và đang thu hút sự chú ý với tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như: trị liệu tế bào, chữa lành vết thương, tái tạo sụn, xương và giải phóng thuốc có kiểm soát. Chúng cũng có mức độ linh hoạt giống với mô tự nhiên do hàm lượng nước lớn. Khả năng hấp thụ nước của hydrogel xuất phát từ các nhóm chức ưa nước gắn với mạch polymer trong mạng hydrogel, trong khi khả năng chống hòa tan của chúng phát sinh từ các liên kết chéo giữa các chuỗi mạng. Trong hai thập kỷ qua, Hydrogel tự nhiên dần được thay thế bằng Hydrogel tổng hợp có tuổi thọ dài, khả năng hấp thụ nước cao và độ bền cao.
Hydrogel có thể được tổng hợp từ các thành phần hoàn toàn tổng hợp. Ngoài ra, nó ổn định trong điều kiện nhiệt độ dao động mạnh.2 Phân loại Hydrogel Hydrogel được phân loại theo nhiều đặc điểm khác nhau bao gồm: Phân loại dựa vào nguồn gốc Phân loại dựa vào thành phần polymer Phân loại dựa vào trạng thái vật liệu Phân loại dựa vào cơ chế khâu mạng 3 Phân loại dựa vào sự thay đổi từ tác động của môi trường bên ngòai… 1.1 Phân loại dựa vào nguồn gốc Hydrogel tự nhiên: là các hydrogel có nguồn gốc từ các polyme protein chẳng hạn như polyme collage[8], elastin. và polysaccharide như glucosaminoglycans, chitosan, acid hyagluromic hoặc aligate[9]… Hydrogel tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học, có khả năng khếch tán các phân tử và tế bào. Chúng có những ưu điểm cũng như những đặc tính độc đáo như tính tương hợp sinh học, khả năng phân hủy sinh học, các sản phẩm phụ của chúng có độc tính tế bào thấp, khả năng điều chỉnh hydrogel thành dạng gel tiêm và sự tương đồng của chúng với môi trường sinh lý.
Tùy nhiên, hydrogel tự nhiên có một số hạn chế như chúng không có đặc tính cơ học cao, độ bền cơ học thấp và không dễ kiểm soát do sự thay đổi của chúng cũng như có khả năng truyền vi rút hoặc các mầm bệnh khác từ nguồn gốc động vật. Hydrogel tự nhiên được ứng dụng vào lĩnh vực y tế như hệ thống nuôi cấy tế bào, hệ thống phân phối thuốc có kiểm soát và các chất thay thế sinh học cho kỹ thuật mô. [10] Hydrogel tổng hợp: được tạo thành từ việc sử dụng các phương pháp trùng hợp hóa học. Hydrogel tổng hợp có những ưu điểm hơn so với hydrogel tự nhiên chẳng hạn như có khả năng giữ được nước cao hơn, thời gian sử dụng lâu hơn, bảo quản dễ hơn cũng như dễ thay đổi các đặc tính của hydrogel hơn.
Với đặc tính sinh học thấp hơn, hydrogel tổng hợp giảm thiểu được việc gây bệnh sinh học khi ứng dụng vào y học.[11] Hydrogel bán tổng hợp: còn được gọi là Hybrid Hydrogel. Chúng có thể giải thích đơn giản là hydrogel được tạo ra từ hai hay nhiều monomer có nguồn gốc từ hydrogel tổng hợp và hydrogel tự nhiên. Hoặc chúng được mô tả bao gồm hàng trăm nanogel liên kết chéo nhau về mặt hóa học hoặc vật lý và chúng liên tới các cấu trúc được tạo thành từ các hạt nano hoặc polyme khác nhau. Hydrogel bán tổng hợp giúp cải thiện các tính chất như vật lý, hóa học, điện và sinh học…[12] Sự kết hợp của hai loại Hydrogel tổng hợp và tự nhiên tạo ra vật liệu đáp ứng với những đặc tính mong muốn của 2 loại trên.
Hydrogel bán tổng hợp ngày càng nhận được sự quan tâm của khoa học đối với các ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực y sinh. Những tiến bộ gần đây nhất đã dẫn đến các ứng dụng tiềm năng của chúng trong việc cung cấp các phương pháp điều trị ung thư và các loại thuốc tái tạo cũng như thay thế các mô bị hỏng trong kĩ thuật mô.2 Phân loại dựa vào thành phần polyme Homopolymeric Hydrogel: được coi như là một mạng lưới polyme có nguồn gốc từ một loại monome, là đơn vị cấu trúc cơ bản gồm bất kỳ mạng polyme nào. Homopolyme có thể có cấu trúc liên kết ngang phụ thuộc vào bản chất của monome và phương pháp trùng hợp. [14] Copomeric Hydrogel: Chúng bao gồm hai hoặc nhiều loại monome riêng biệt kết hợp với nhau trong đó có ít nhất một thành phần ưa nước, được tập hợp trong một cấu hình ngẫu nhiên, khối hoặc xen kẽ dọc theo chuỗi của mạng polyme.
[15] Multipolymer Interpentrating Polymeric Hydrogel (IPN): là một loại polyme quan trọng, được tạo ra từ hai hoặc nhiều mạng không gian được sắp xếp xen kẽ một phần trên quy mô phân tử nhưng không có liên kết cộng hóa trị với nhau và không thể tách rời nhau ra trừ khi phá vỡ liên kết hóa học. Một hỗn hợp được tạo thành từ hai hoặc nhiều mạng polymer trước không phải là IPN. Ưu điểm của IPN đó là độ ổn định tốt hơn, mật độ hydrogel dày hơn với độ cứng và khả năng biến dang được cải thiện cũng như các đặc tính vật lý hóa học và khả năng mang thuốc sẽ hiệu quả hơn so với hydrogel thông thường.3 Phân loại dựa vào cơ chế khâu mạng Hydrogel khâu mạng vật lý: thông qua các tác nhân vật lý tạo nên các liên kết ngang trong mạng. Các liên kết này có thể được tạo thành từ sự kích thích từ các yếu tố môi trường ngoài như nhiệt độ,pH, nồng độ ion.
hoặc từ các tương tác hóa lý như tương tác kỵ nước, liên kết hydro, sự hình thành tinh thể… [17] Có thể chia làm các loại như sau: Liên kết khâu mạng vật lý bằng liên kết hydro: liên kết hydro được sử dụng nhiều để tổng hợp nhiều loại hydrogel khâu mạng vật lý. Vì liên kết hydro là liên kết thứ cấp nên chúng được hình thành giữa H, O và N thường là trong điều kiện thuận lợi và khi thay đổi môi trường khắc nghiệt như thay đổi nhiệt độ, pH… thì các liên kết này không còn tồn tại. Liên kết H cũng có thể được hình thành với sự pha trộn của hai hoặc nhiều polyme tự nhiên như axit hyaluronic-metylcellulose, gelatin-agar và tinh bột- carboxymethyl cellulose.