Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nha đam (Aloe vera hay Aloe barbadensis) là loài cây mọng nước nhiệt đới phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt được trồng với sản lượng lớn tại các tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận. Về mặt sinh học, gel nha đam chứa khoảng 99% nước và 1% chất khô bao gồm 55% polysaccharide (tiêu biểu là acemannan và glucomannan), 17% đường, 16% khoáng chất, 7% protein, 4% lipid, 1% hợp chất phenolic cùng nhiều loại vitamin (A, C, E, B1, B2, B12, axit folic). Nhờ các hoạt tính sinh học như điều hòa miễn dịch, kháng khuẩn, chống oxy hóa và kích thích tái tạo mô, nha đam được ứng dụng rộng rãi trong y học, thực phẩm và mỹ phẩm.

Polyvinyl Alcohol (PVA) là một polymer tổng hợp tan trong nước, có khả năng tương thích sinh học, phân hủy sinh học, tạo màng tốt và chịu dầu mỡ cao. Việc kết hợp dịch chiết nha đam với chất nền PVA nhằm tạo ra vật liệu màng composite hydrogel có hoạt tính sinh học cao. Trong các kỹ thuật chế tạo màng, phương pháp làm lạnh – rã đông (freeze – thawing) là kỹ thuật khâu mạch vật lý đơn giản, không sử dụng hóa chất liên kết chéo độc hại, bảo tồn được cấu trúc tự nhiên của dịch chiết sinh học và tạo ra cấu trúc xốp vi mô.

Khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Vật liệu của sinh viên Nguyễn Nguyễn Thái Sinh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Vũ Việt Linh và TS. Trần Thanh Tâm) tập trung giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về cây nha đam, polymer Polyvinyl Alcohol và các phương pháp tạo màng composite AV – PVA.
  2. Chế tạo màng composite từ dịch chiết nha đam và PVA bằng phương pháp freeze – thawing theo các tỷ lệ nồng độ nha đam khảo sát: 0%, 25%, 33% và 50% theo khối lượng.
  3. Đánh giá tính chất cơ học (độ bền kéo, độ biến dạng, suất đàn hồi, đường cong ứng suất – biến dạng) theo tiêu chuẩn ASTM D882.
  4. Phân tích cấu trúc liên kết hóa học bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
  5. Khảo sát hình thái cấu trúc và bề mặt màng bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Đối tượng nghiên cứu là màng composite hydrogel tạo bởi dịch chiết gel nha đam Thái (thu nhận tại Bình Thuận) và PVA (Shanghai Zhanyun Chemical Co., Ltd, khối lượng phân tử $M_w = 10.000 - 20.000\text{ g/mol}$, độ tinh khiết 99%). Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại các phòng thí nghiệm thuộc Khoa Khoa học Ứng dụng và Khoa Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong thời gian từ tháng 03/2021 đến tháng 08/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên cơ sở lý thuyết về cấu tạo thực vật học và hóa học của nha đam, tính chất hóa lý của polymer bán tinh thể PVA, cùng cơ chế tạo gel vật lý qua chu kỳ nhiệt độ.

Lá nha đam có cấu trúc gồm 3 lớp: lớp vỏ ngoài bảo vệ; lớp giữa chứa mủ nhựa vàng giàu anthraquinone (aloin, emodin); và lớp gel trong suốt chứa chuỗi polysaccharide chính là acemannan liên kết $\beta\text{-(1,4)}$ acetyl hóa với khối lượng phân tử từ 30 đến 40 kDa. PVA là polymer mạch thẳng mang nhiều nhóm hydroxyl (-OH), có khả năng tạo liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử mạnh mẽ.

Phương pháp tạo mạng hydrogel vật lý freeze – thawing dựa trên cơ chế: khi dung dịch hỗn hợp PVA/nha đam bị đông lạnh ở nhiệt độ thấp (-20°C), các tinh thể đá hình thành và đẩy các chuỗi PVA lại gần nhau vào các vùng không gian hẹp; tại đây, các chuỗi polymer tiếp xúc và hình thành các vùng kết tinh (crystallites) đóng vai trò là các nút mạng liên kết vật lý bền vững sau khi rã đông ở nhiệt độ phòng.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và hệ thống thiết bị phân tích bao gồm:

  • Quy trình chế tạo mẫu: Chu kỳ đông lạnh ở -20°C trong 24 giờ và rã đông ở nhiệt độ phòng trong 1–3 giờ, lặp lại từ 3 đến 5 chu kỳ, sau đó rửa bằng ethanol 94% và ngâm trong nước cất.
  • Phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR): Sử dụng máy quang phổ JASCO FT/IR-4700 với đầu đo suy giảm phản xạ toàn phần (ATR) để xác định các nhóm chức hóa học trong khoảng số sóng từ 4000 cm⁻¹ đến 400 cm⁻¹.
  • Phân tích hình thái vi cấu trúc: Kính hiển vi quang học Olympus DP22 (Nhật Bản) với các độ phóng đại 5x, 10x, 20x, 50x, 100x và kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi TM4000Plus / TM4800Plus (đo ở điện thế gia tốc 5 kV, độ phóng đại 500x, 1000x và 3000x trên mẫu sấy đông khô Biobase BK-FD12S có phủ và không phủ platin).
  • Kiểm tra cơ tính kéo: Máy kéo nén vạn năng Shimadzu AGS-X (tải trọng 10 N – 10 kN) theo tiêu chuẩn ASTM D882. Kích thước mẫu đo: chiều rộng 10 mm, chiều dài 35 mm, khoảng cách ban đầu giữa hai ngàm kẹp $L_0 = 20\text{ mm}$, chiều dày mẫu 0,6 – 0,8 mm, tốc độ kéo 5 mm/giây.

Các thông số cơ tính được xác định theo công thức:

  • Ứng suất kéo ($\sigma$): $\sigma = \frac{F}{A}\text{ (MPa)}$ (với $F$ là lực kéo, $A$ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu).
  • Độ biến dạng kéo ($\varepsilon$): $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \times 100%\text{ = }\frac{L - L_0}{L_0} \times 100%$.
  • Suất đàn hồi ($E$): $E = \frac{\sigma}{\varepsilon}\text{ (MPa)}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về cây nha đam, Polyvinyl Alcohol và màng composite AV – PVA

Chương 1 hệ thống hóa các tài liệu khoa học về cây nha đam, polymer PVA và các hướng nghiên cứu kết hợp hai loại vật liệu này:

  • Đặc điểm thực vật và hóa thực vật của nha đam: Phân tích 75 thành phần hoạt tính trong gel nha đam, tập trung vào vai trò của polysaccharide acemannan trong việc kích hoạt đại thực bào, tăng hoạt động tế bào lympho T lên đến 50%, kháng virus và kích thích lành thương. Tổng quan các ứng dụng của nha đam trong y tế, bảo quản thực phẩm chống lại các chủng Staphylococcus aureus, Salmonella, Escherichia coli, Aspergillus niger, và mỹ phẩm dưỡng ẩm.
  • Tính chất và ứng dụng của Polyvinyl Alcohol: Trình bày cấu trúc hóa học điều chế từ phản ứng thủy phân polyvinyl axetat, các thông số vật lý tiêu chuẩn (tỉ trọng 1,31; nhiệt dung riêng 1,67 J/g·K; hệ số giãn nở nhiệt $7 \times 10^{-5} - 1,2 \times 10^{-5}\text{ K}^{-1}$; độ bền kéo màng khô chưa hóa dẻo dưới 22.000 psi; độ giãn dài màng dẻo hóa dưới 600%). PVA có độ bền kết dính cao, phân hủy sinh học tạo $CO_2$ và $H_2O$ bởi khoảng 55 loài vi sinh vật.
  • Màng AV – PVA trong nghiên cứu: Tổng thuật các công bố quốc tế về màng AV – PVA trong y học (nghiên cứu của Mona Hajian năm 2007 chỉ ra ngưỡng tối ưu 30% AV giúp cải thiện cơ tính và tăng sinh nguyên bào sợi; nghiên cứu của Ni Ni War về khả năng hút nước đạt 84,2% – 85,2%), trong may mặc kháng khuẩn (nghiên cứu của Haleema Khanzada năm 2020) và trong tạo màng sợi nano (nghiên cứu của Harini Sosiati ở nồng độ 2% – 4% AV).
  • So sánh các phương pháp chế tạo màng: Phân tích 3 phương pháp chính: quay điện (electrospinning), đúc dung môi (solvent casting) và làm lạnh – rã đông (freeze – thawing). Khóa luận làm rõ tính khả thi và ưu điểm tạo cấu trúc xốp hydrogel tự nhiên của phương pháp freeze – thawing.

Chương 2. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục vật tư, thiết bị và các bước thực nghiệm:

  • Vật liệu và hóa chất: Hạt nhựa PVA màu trắng ($M_w = 10.000 - 20.000\text{ g/mol}$, độ tinh khiết 99%), lá nha đam Thái tươi thu hoạch tại Bình Thuận, cồn Ethanol 94% (độ tinh khiết 99,5%, Xilong) và nước cất một lần (hệ thống LASANY IDO-8s).
  • Danh mục dụng cụ và thiết bị: Cân điện tử OHAUS SPX622, máy khuấy từ gia nhiệt DLAB H280-Pro, tủ lạnh Electrolux EME3700H-H (340L Inverter), máy sấy đông khô BIOBASE BK-FD12S, máy kéo nén Shimadzu AGS-X, kính hiển vi quang học Olympus DP22, kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi TM4000Plus, máy quang phổ FTIR JASCO-4700.
  • Quy trình sơ chế nha đam: Gọt vỏ xanh và gai, tách nhựa mủ vàng, lấy phần gel trắng bên trong; rửa sạch và cắt lát 1–2 cm; xay nhuyễn bằng máy xay sinh tố tốc độ cao trong 4–5 phút; lọc qua rây để loại bỏ xơ bã chưa tan và dịch nhờn dư thừa; thu dịch chiết nha đam nguyên chất.
  • Quy trình chế tạo màng AV – PVA: Hòa tan hạt PVA trong nước cất ở 90–100°C trong 1–2 giờ bằng khuấy từ; bổ sung dịch chiết nha đam theo các tỷ lệ khối lượng 0%, 25%, 33%, 50%; khuấy đồng nhất hỗn hợp ở 70–80°C trong 1–2 giờ; rót dung dịch vào đĩa petri thủy tinh; cấp đông trực tiếp tại -20°C trong 24 giờ; rã đông ở nhiệt độ phòng từ 1–3 giờ; lặp lại chu kỳ freeze – thawing từ 3–5 lần; rửa màng thu được bằng dung dịch ethanol, ngâm nước cất và bảo quản.

Chương 3. Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích thực nghiệm và thảo luận cơ chế tương tác:

  • Khảo sát cơ tính màng AV – PVA:
    • Độ bền kéo: Màng PVA nguyên chất (0% AV) có độ bền kéo đạt 9,23 MPa. Khi bổ sung 25% nha đam, độ bền kéo tăng lên mức cực đại là 10,01 MPa. Khi tiếp tục tăng hàm lượng nha đam lên 33% và 50%, độ bền kéo suy giảm rõ rệt (xuống dưới 9,0 MPa). Tác giả giải thích ở tỷ lệ thấp, liên kết hydro giữa các mạch PVA vẫn giữ được độ chặt chẽ; khi tỷ lệ nha đam quá cao, khoảng cách giữa các mạch phân tử PVA tăng lên làm suy yếu liên kết nội phân tử.
    • Độ biến dạng: Tăng đơn điệu từ 289,6% ở mẫu 0% AV lên giá trị cao nhất ở mẫu 50% AV. Dịch chiết nha đam đóng vai trò như chất hóa dẻo tự nhiên, xen vào giữa các mạch polymer PVA có độ linh động thấp, làm giảm mật độ liên kết hydro nội tại và gia tăng độ mềm dẻo của màng.
    • Suất đàn hồi: Có xu hướng giảm dần từ 3,52 MPa (ở mẫu 0% AV) khi tăng nồng độ nha đam lên 25% (đạt khoảng 3,0 MPa), 33% và 50%. Sự suy giảm này tỷ lệ thuận với sự suy giảm ứng suất kéo ở các nồng độ nha đam cao.
    • Đường cong ứng suất – biến dạng: Thể hiện rõ vùng biến dạng đàn hồi trong khoảng ứng suất 0 – 6 MPa, tiếp nối bởi vùng biến dạng dẻo từ 6 – 10 MPa trước khi mẫu đứt gãy từ từ.
  • Khảo sát cấu trúc hóa học qua phổ FTIR:
    • Phổ của dịch chiết nha đam thể hiện các đỉnh đặc trưng: dải hấp thụ rộng tại vùng 3000 – 3600 cm⁻¹ ứng với dao động kéo giãn của nhóm hydroxyl (-OH); đỉnh tại 1636,3 – 1638 cm⁻¹ đặc trưng cho dao động kéo giãn bất đối xứng của liên kết C=O trong nhóm carboxylat; riêng mẫu gel có thêm đỉnh 1041,4 cm⁻¹ đặc trưng cho liên kết C-O uốn.
    • Phổ của PVA nguyên chất thể hiện các dao động: kéo giãn C-C tại 832 cm⁻¹, dao động C-O tại 1087 cm⁻¹, dao động uốn của nhóm -CH₂ tại 1416 cm⁻¹, dao động kéo giãn C-H trong -CH₂ tại 2916 cm⁻¹, dao động kéo giãn C=O của nhóm acetat dư tại 1649 cm⁻¹, và dải -OH tại 3115 – 3500 cm⁻¹.
    • Phổ của màng composite AV – PVA tại các tỷ lệ 25%, 33%, 50% đều xuất hiện đầy đủ các dải hấp thụ đặc trưng của PVA và nha đam (vùng -OH từ 3000 – 3600 cm⁻¹, dải C-H từ 2860 – 3000 cm⁻¹), chứng minh quá trình tạo màng vật lý không làm biến tính hay phá vỡ các nhóm chức polysaccharide của nha đam.
  • Hình thái bề mặt và cấu trúc: Ảnh chụp kính hiển vi quang học Olympus DP22 và ảnh SEM Hitachi TM4800Plus xác nhận màng composite có cấu trúc mạng xốp đồng đều, bề mặt liên tục, phản ánh tính tương thích pha tốt giữa gel nha đam và chất nền PVA qua các chu kỳ làm lạnh – rã đông.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp được các thông số cơ tính định lượng của màng composite AV – PVA theo các tỷ lệ phối trộn thực nghiệm:

Mẫu màng AV – PVA Độ bền kéo (MPa) Độ biến dạng (%) Suất đàn hồi (MPa) Đặc tính cấu trúc & liên kết
0% AV (PVA thuần) 9,23 289,6 3,52 Liên kết hydro nội phân tử PVA chặt chẽ, màng có độ cứng cao nhất
25% AV – PVA 10,01 > 289,6 ~3,00 Cơ tính tối ưu nhất, liên kết tương thích pha tốt, độ bền kéo cực đại
33% AV – PVA < 9,20 Tăng cao Giảm (< 3,00) Khoảng cách mạch phân tử PVA tăng, độ bền kéo bắt đầu giảm
50% AV – PVA Giảm mạnh Đạt cực đại Thấp nhất Tính mềm dẻo cao nhất, mạng lưới polymer lỏng lẻo

Các giải pháp và kiến nghị ứng dụng do tác giả đề xuất:

  • Màng composite AV – PVA với hàm lượng 25% nha đam được kiến nghị ứng dụng làm vật liệu màng băng bó vết thương trong y học. Các thông số cơ tính của màng (độ bền kéo 10,01 MPa, độ biến dạng kéo trên 289%) đáp ứng tiêu chuẩn cơ tính của da thô tự nhiên (ứng suất 5 – 30 MPa, độ biến dạng 35 – 115%).
  • Đề xuất định hướng phát triển màng AV – PVA có cấu trúc xốp chế tạo bằng phương pháp freeze – thawing ứng dụng trong lĩnh vực màng lọc nước và bao bì phân hủy sinh học.

Đóng góp của khóa luận:

  • Thiết lập quy trình công nghệ điều chế màng composite AV – PVA bằng phương pháp vật lý freeze – thawing hoàn toàn không sử dụng hóa chất khâu mạch, tận dụng nguồn nguyên liệu nha đam nhiệt đới giá thành thấp tại Việt Nam.
  • Xác định chính xác quy luật biến thiên cơ tính và cấu trúc của màng composite theo 4 tỷ lệ nồng độ nha đam, bổ sung dữ liệu thực nghiệm cho các nghiên cứu về hydrogel polymer tự nhiên kết hợp tổng hợp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung công bố trong văn bản, đề tài có các hạn chế và hướng nghiên cứu mở rộng như sau:

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc khảo sát 4 tỷ lệ phối trộn gián đoạn (0%, 25%, 33%, 50%), chưa tiến hành khảo sát dải nồng độ hẹp quanh điểm tối ưu 25% – 30% để xác định chính xác tỷ lệ tới hạn.
    • Chưa thực hiện các phép đo định lượng về độ trương nở (swelling ratio), khả năng giữ ẩm, tốc độ truyền hơi nước (WVTR) và tốc độ phân hủy sinh học trong môi trường sinh lý mô phỏng.
    • Chưa tiến hành thử nghiệm sinh học trực tiếp về hoạt tính kháng khuẩn in vitro đối với các chủng vi khuẩn cụ thể trên màng thành phẩm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát ảnh hưởng của số lượng chu kỳ freeze – thawing (thay đổi từ 1 đến 7 chu kỳ) và thời gian cấp đông đến kích thước lỗ xốp và độ kết tinh của mạng hydrogel.
    • Thực hiện các thử nghiệm nuôi cấy tế bào, độc tính tế bào và kiểm tra khả năng ức chế vi khuẩn (S. aureus, E. coli) phục vụ ứng dụng băng vết thương.
    • Nghiên cứu khả năng lưu giữ và giải phóng hoạt chất sinh học, khảo sát ứng dụng của màng xốp trong xử lý và lọc nước.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho sinh viên, học viên và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Y sinh và Công nghệ Sinh học:

  • Tham khảo quy trình công nghệ: Chi tiết các bước sơ chế dịch chiết nha đam tươi loại bỏ nhựa mủ và quy trình hòa tan, phối trộn, cấp đông – rã đông màng hydrogel PVA.
  • Tham khảo phương pháp phân tích: Quy trình chuẩn bị mẫu đo kéo màng mỏng polymer theo tiêu chuẩn ASTM D882 trên máy kéo nén vạn năng, phương pháp phân tích phổ hồng ngoại ATR-FTIR và chuẩn bị mẫu sấy đông khô phục vụ chụp ảnh SEM.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ phối trộn nha đam nào cho độ bền kéo tối ưu và giá trị đạt được là bao nhiêu?
Màng composite đạt độ bền kéo cao nhất ở tỷ lệ 25% nha đam với giá trị 10,01 MPa (tăng từ mức 9,23 MPa của mẫu PVA nguyên chất). Khi nồng độ nha đam tăng lên 33% và 50%, độ bền kéo giảm dần do khoảng cách giữa các mạch phân tử PVA bị nới rộng.

2. Các thông số nhiệt độ và thời gian của chu kỳ freeze – thawing trong khóa luận được thiết lập như thế nào?
Dung dịch sau khi phối trộn được đổ vào đĩa petri, cấp đông trong tủ lạnh ở nhiệt độ -20°C trong 24 giờ, sau đó lấy ra rã đông ở nhiệt độ phòng trong khoảng 1–3 giờ. Quy trình này được lặp lại từ 3 đến 5 chu kỳ trước khi rửa mẫu bằng ethanol 94% và nước cất.

3. Tại sao độ biến dạng của màng lại tăng liên tục khi tăng tỷ lệ nồng độ nha đam?
Polyvinyl Alcohol có độ linh động phân tử thấp do mật độ liên kết hydro nội tại cao. Khi bổ sung dịch chiết nha đam, các phân tử trong nha đam xen vào giữa các mạch polymer làm giảm liên kết hydro giữa các chuỗi PVA, làm tăng độ linh động mạch và giúp màng trở nên mềm dẻo hơn, dẫn đến độ biến dạng tăng từ 289,6% lên mức cao nhất ở mẫu 50% AV.

4. Phổ hồng ngoại FTIR đã chỉ ra những nhóm chức đặc trưng nào của nha đam và PVA trong màng composite?
Phổ FTIR ghi nhận dải hấp thụ rộng ở 3000 – 3600 cm⁻¹ đặc trưng cho nhóm hydroxyl (-OH), đỉnh tại 1636,3 – 1638 cm⁻¹ đặc trưng cho liên kết C=O của carboxylat trong nha đam. Cùng với đó là các đỉnh của PVA: dao động C-C tại 832 cm⁻¹, C-O tại 1087 cm⁻¹, uốn -CH₂ tại 1416 cm⁻¹, kéo C-H tại 2916 cm⁻¹ và C=O acetat dư tại 1649 cm⁻¹.

5. Kích thước mẫu và tiêu chuẩn áp dụng để đo cơ tính kéo của màng AV – PVA là gì?
Phép thử cơ tính kéo được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D882 trên máy kéo nén Shimadzu AGS-X. Mẫu có dạng dải hình chữ nhật với chiều rộng 10 mm, chiều dài 35 mm, khoảng cách ban đầu giữa hai ngàm kẹp ($L_0$) là 20 mm, chiều dày mẫu từ 0,6 đến 0,8 mm và tốc độ kéo đo đạt 5 mm/giây.

Kết luận

Khóa luận đã chế tạo thành công màng composite hydrogel Aloe Vera – Polyvinyl Alcohol bằng phương pháp khâu mạch vật lý freeze – thawing từ nguồn nguyên liệu nha đam Bình Thuận và PVA. Kết quả thực nghiệm xác định mẫu màng chứa 25% nha đam đạt cơ tính kéo tối ưu với độ bền kéo 10,01 MPa và độ biến dạng vượt trên 289,6%, đồng thời duy trì cấu trúc xốp đồng nhất và bảo tồn các nhóm chức polysaccharide tự nhiên. Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ định hướng phát triển vật liệu màng y sinh thân thiện môi trường ứng dụng làm băng gạc vết thương và màng lọc.