Điều chế và khảo sát tính chất hydrogel tự lành từ chitosan và vanilin

Khóa luận điều chế và khảo sát tính chất hydrogel tự lành từ chitosan và vanilin - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Trần Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Hoá học và Thực phẩm
• Đề tài: Điều chế và khảo sát tính chất hydrogel tự lành từ chitosan và vanilin
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hydrogel tự lành từ chitosan và vanilin

Hydrogel là mạng lưới polyme ba chiều có khả năng hấp thụ và giữ nước vượt trội. Cấu trúc này hình thành nhờ liên kết ngang hóa học hoặc vật lý giữa các chuỗi polyme ưa nước. Hydrogel ứng dụng rộng rãi trong y học, thực phẩm, nông nghiệp và công nghiệp. Tuy nhiên, chi phí sản xuất và hiệu quả sử dụng luôn là bài toán cần giải quyết. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tiếp cận vấn đề này bằng cách sử dụng nguồn nguyên liệu sinh học có sẵn trong tự nhiên. Chitosan và vanilin được lựa chọn làm nguyên liệu chính. Chitosan có nguồn gốc tự nhiên, phân hủy sinh học tốt nhưng tính kháng khuẩn còn hạn chế. Vanilin bổ sung vào hệ thống vừa đóng vai trò chất kháng khuẩn tự nhiên, vừa phản ứng với chitosan tạo thành mạng gel bền vững. Điểm đặc biệt của hydrogel chitosan-vanilin là tính tự lành — khả năng hình thành liên kết mới khi liên kết cũ bị phá vỡ. Cơ chế này dựa trên liên kết Schiff base thuận nghịch kết hợp lực hút tĩnh điện. Đây là hướng nghiên cứu tiềm năng cho vật liệu y sinh thế hệ mới.

1.1. Cấu trúc và đặc điểm của hydrogel sinh học

Hydrogel sinh học được xây dựng từ các polyme ưa nước liên kết với nhau thành mạng không gian ba chiều. Cấu trúc này cho phép hấp thu nước gấp nhiều lần khối lượng khô trong khi vẫn giữ nguyên hình dạng. Liên kết ngang trong hydrogel có thể là liên kết cộng hóa trị hoặc phi cộng hóa trị như liên kết hydro, tương tác tĩnh điện và liên kết Schiff base. Trong hydrogel chitosan-vanilin, liên kết Schiff base thuận nghịch giữa nhóm amine của chitosan và nhóm aldehyde của vanilin là cơ chế tạo gel và tự lành chủ đạo. Cấu trúc xốp của hydrogel cũng quyết định khả năng giải phóng thuốc và trao đổi chất với môi trường xung quanh.

1.2. Vai trò của chitosan và vanilin trong hệ hydrogel

Chitosan là polysaccharide có nguồn gốc từ vỏ giáp xác, mang tính tương thích sinh học cao và phân hủy sinh học hoàn toàn. Nhóm amine tự do trong chuỗi chitosan là điểm phản ứng chính để tạo liên kết với vanilin. Vanilin — một hợp chất phenolic từ cây vani — mang nhóm aldehyde có khả năng phản ứng ngưng tụ với nhóm amine tạo liên kết imine (Schiff base). Kết hợp hai nguyên liệu này tạo ra hydrogel vừa có tính kháng khuẩn, vừa có khả năng phân hủy sinh học và tự phục hồi sau tổn thương cơ học. Đây là điểm khác biệt quan trọng so với hydrogel tổng hợp từ polymer nhân tạo.

II. Phân tích tính chất và thách thức của hydrogel chitosan vanilin

Chitosan tuy có nhiều ưu điểm nhưng đứng độc lập thì tính kháng khuẩn còn yếu. Độ bền cơ học cũng chưa đủ cho các ứng dụng y học đòi hỏi cao. Khi bổ sung vanilin, hệ vật liệu được cải thiện rõ rệt. Khối lượng vanilin tăng kéo theo mật độ liên kết ngang tăng, từ đó khả năng chịu nén của hydrogel tăng lên đáng kể. Ngược lại, độ ẩm, độ tan và độ trương có xu hướng giảm khi tăng tỷ lệ vanilin. Đây là sự đánh đổi cần cân nhắc tùy theo mục đích ứng dụng. Phân tích FTIR xác nhận sự hình thành liên kết Schiff base và liên kết hydro khi tăng hàm lượng vanilin. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp rõ ràng trên bề mặt hydrogel đông khô. Màu sắc của hydrogel là trắng hơi vàng, đục dần và giảm độ truyền sáng khi nồng độ vanilin tăng. Tốc độ khuếch tán vanilin trong nước tăng theo thời gian. Những đặc điểm này cần được cân bằng kỹ lưỡng để đạt hiệu quả tối ưu trong ứng dụng thực tế.

2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ vanilin đến tính chất cơ học

Khi giữ nguyên khối lượng chitosan và tăng dần khối lượng vanilin, độ cứng và khả năng chịu nén của hydrogel tăng lên rõ rệt. Nguyên nhân là mật độ liên kết ngang Schiff base và liên kết hydro gia tăng, làm cho mạng polyme trở nên chặt chẽ hơn. Phổ FTIR ghi nhận sự xuất hiện và tăng cường của các peak đặc trưng cho liên kết C=N (imine) khi hàm lượng vanilin tăng. Điều này kiểm chứng trực tiếp cơ chế tạo liên kết ngang trong hệ vật liệu. Tuy nhiên, mạng lưới càng chặt thì không gian cho nước thấm vào càng bị thu hẹp, dẫn đến độ trương và độ ẩm giảm tương ứng.

2.2. Đặc tính trương nở và khuếch tán theo môi trường pH

Hydrogel chitosan-vanilin thể hiện hành vi trương nở phụ thuộc mạnh vào pH môi trường. Trong môi trường acid (pH=5,5), hydrogel trương nở rất mạnh do nhóm amine của chitosan bị proton hóa, làm tăng lực đẩy tĩnh điện và nở rộng mạng lưới. Trong môi trường trung tính (pH=7,4) và kiềm (pH=9), mức độ trương nở giảm đáng kể. Đặc điểm này mở ra khả năng ứng dụng giải phóng thuốc có kiểm soát tại các vùng pH đặc thù trong cơ thể. Tốc độ khuếch tán vanilin từ khung hydrogel ra môi trường nước cũng tăng dần theo thời gian, cho thấy cơ chế giải phóng chậm và bền vững.

III. Phương pháp điều chế và khảo sát hydrogel tự lành tối ưu

Quá trình điều chế hydrogel chitosan-vanilin được thực hiện bằng cách phối trộn chitosan với các khối lượng vanilin khác nhau trong dung dịch acid acetic loãng. Phản ứng ngưng tụ Schiff base xảy ra tự nhiên ở nhiệt độ phòng, tạo thành gel theo thời gian. Thời gian gel hóa tối ưu xác định được là 12 giờ. Để tìm tỷ lệ tự lành tốt nhất, nghiên cứu sử dụng phương pháp quan sát trực quan kết hợp kính hiển vi quang học. Hai mảnh hydrogel bị cắt được ghép lại ngay lập tức và theo dõi quá trình tự phục hồi trong điều kiện nhiệt độ phòng. Sau hai ngày, hydrogel đạt mức phục hồi có thể chịu tải. Đặc tính xốp của hydrogel được đánh giá qua ảnh SEM với gia tốc 5 kV sau khi mẫu được đông khô và phủ lớp platin mỏng. Diện tích lỗ xốp đo bằng phần mềm ImageJ cho kết quả trung bình khoảng 6.000 µm². Độ trương được xác định bằng cách ngâm hydrogel trong các dung dịch đệm PBS (pH=7,4 và 9) và đệm acetat (pH=5,5) ở 37°C trong 24 giờ.

3.1. Quy trình tổng hợp và thông số gel hóa

Chitosan được hòa tan trong dung dịch acid acetic 1% để tạo dung dịch đồng nhất. Vanilin được thêm vào theo các tỷ lệ khối lượng khác nhau và khuấy đều. Hỗn hợp được để yên để phản ứng Schiff base diễn ra tự nhiên. Thời gian gel hóa hoàn toàn là 12 giờ ở nhiệt độ phòng. Hydrogel tạo thành có màu trắng hơi vàng đặc trưng. Tỷ lệ khối lượng vanilin chiếm 26% cho kết quả tự lành tốt nhất. Ở tỷ lệ này, hydrogel đạt độ ẩm gấp 15 lần và độ trương gấp 90 lần so với khối lượng khô ban đầu, đây là giá trị phù hợp cho ứng dụng y sinh.

3.2. Phân tích cấu trúc bằng FTIR và SEM

Phổ FTIR được sử dụng để xác nhận sự hình thành liên kết Schiff base (C=N) và liên kết hydro trong cấu trúc hydrogel. Các peak đặc trưng xuất hiện và tăng cường theo hàm lượng vanilin, khẳng định mức độ liên kết ngang tăng dần. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh vi cấu trúc bề mặt hydrogel sau khi đông khô và phủ platin. Hình ảnh SEM cho thấy mạng lỗ xốp kết nối nhau rõ ràng với diện tích lỗ trung bình 6.000 µm². Phần mềm ImageJ được dùng để đo và tính toán diện tích lỗ xốp một cách định lượng, đảm bảo độ chính xác trong đánh giá cấu trúc vật liệu.

IV. Kết quả ứng dụng và triển vọng của hydrogel tự lành

Hydrogel chitosan-vanilin với tỷ lệ vanilin 26% là công thức tối ưu nhất. Vật liệu này đạt độ ẩm gấp 15 lần và độ trương gấp 90 lần so với khối lượng khô. Lượng vanilin giải phóng đạt khoảng 57% trong vòng 150 phút ở nhiệt độ 37°C. Đây là điều kiện mô phỏng thân nhiệt người, xác nhận tiềm năng ứng dụng in vivo. Tính tự lành được kiểm chứng cả bằng quan sát mắt thường lẫn kính hiển vi quang học trong thời gian 2 ngày. Khả năng kháng khuẩn nhờ vanilin giúp vật liệu phù hợp cho băng vết thương hở. Trong môi trường acid, hydrogel trương nở mạnh, thích hợp cho ứng dụng tại các vùng viêm nhiễm có pH thấp. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển vật liệu y sinh xanh từ nguyên liệu tự nhiên, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Kết quả có thể là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về băng vết thương thông minh và hệ giải phóng thuốc có kiểm soát.

4.1. Hiệu quả tự lành và tính kháng khuẩn trong ứng dụng y tế

Tính tự lành của hydrogel chitosan-vanilin dựa trên cơ chế tái tạo liên kết Schiff base thuận nghịch sau khi vật liệu bị cắt hoặc tổn thương. Khi hai mảnh hydrogel được ghép lại, lực hút tĩnh điện và khả năng tái phản ứng của nhóm amine-aldehyde thúc đẩy sự phục hồi cấu trúc. Cùng với đó, vanilin liên tục giải phóng từ mạng gel tạo vùng kháng khuẩn bảo vệ vết thương. Tính chất này làm cho hydrogel trở thành ứng cử viên lý tưởng cho băng vết thương hở, đặc biệt trong điều kiện môi trường acid tại vùng tổn thương, nơi hydrogel trương nở tốt nhất và tăng hiệu quả tiếp xúc.

4.2. Tiềm năng mở rộng ứng dụng và định hướng nghiên cứu tiếp theo

Ngoài băng vết thương, hydrogel chitosan-vanilin có tiềm năng ứng dụng trong hệ thống giải phóng thuốc theo pH, nuôi cấy tế bào và kỹ thuật mô. Khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn giúp vật liệu thân thiện với cơ thể và môi trường. Chi phí nguyên liệu thấp từ chitosan tái chế vỏ tôm cua và vanilin tổng hợp sinh học tạo lợi thế kinh tế rõ rệt. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào nạp thêm hoạt chất sinh học, tối ưu hóa cấu trúc lỗ xốp và thử nghiệm lâm sàng. Đây là nền tảng vững chắc cho vật liệu y sinh xanh thế hệ mới tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong thực hành lâm sàng và chăm sóc sức khỏe, sự gia tăng của tình trạng lạm dụng thuốc kháng sinh đã dẫn đến nguy cơ nhiễm trùng nghiêm trọng, làm chậm tiến trình liền mô và gia tăng tỷ lệ tử vong ở người bệnh. Đứng trước thách thức này, nhu cầu nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu y sinh tiên tiến nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của mầm bệnh, bảo vệ các vết thương hở ngày càng trở nên cấp thiết. Các dòng vật liệu băng vết thương phổ biến trên thị trường hiện nay được điều chế từ polyme tự nhiên hoặc tổng hợp dưới các dạng thù hình như màng phim, sợi nano, thuốc bôi ngoài da, bọt biển hoặc hydrogel. Tuy nhiên, các dạng vật liệu hiện hành vẫn tồn tại những rào cản kỹ thuật nhất định: chi phí sản xuất cao, độ bền cơ học còn hạn chế, khó bóc tách mà không làm tổn thương mô hạt mới hình thành, hoặc thiếu khả năng duy trì độ ẩm tối ưu cần thiết để kích thích sự tái tạo tế bào.

Để giải quyết các khiếm khuyết trên, việc chế tạo hydrogel phân hủy sinh học từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên có giá thành hợp lý, khả năng tương thích sinh học cao và tích hợp hoạt tính kháng khuẩn nội tại là một định hướng nghiên cứu quan trọng. Chitosan là polyme sinh học có nguồn gốc tự nhiên, sở hữu khả năng phân hủy sinh học, tương thích mô và cầm máu; tuy nhiên, độ bền cơ lý của chitosan nguyên bản chưa cao và hoạt tính kháng khuẩn còn yếu. Việc phối trộn và khâu mạng chitosan với vanilin – một hợp chất aldehyde phenolic có nguồn gốc tự nhiên vừa đóng vai trò là chất kháng khuẩn vừa đóng vai trò tác nhân tạo liên kết ngang động – cho phép hình thành mạng lưới hydrogel có khả năng tự phục hồi (self-healing) khi bị biến dạng hoặc nứt gãy cơ học thông qua phản ứng tạo liên kết thuận nghịch.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Hoa xác định rõ các mục tiêu và phạm vi nghiên cứu cụ thể như sau:

• Mục tiêu nghiên cứu:
  1. Điều chế và khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng vanilin đến hydrogel chitosan.
  2. Tìm được tỉ lệ chitosan và vanilin tự lành tốt nhất.
• Đối tượng nghiên cứu: Polyme sinh học chitosan (dạng bột màu trắng, hàm lượng chitin chiếm 90%, được tách chiết từ nguồn phụ phẩm vỏ cua hoàng đế) và hợp chất vanilin (dạng tinh thể màu trắng, độ tinh khiết ≥ 99%, xuất xứ từ Pháp).
• Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ quy trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu, phân tích cấu trúc, kiểm tra cơ lý hóa và khảo sát đặc tính giải phóng hoạt chất được giới hạn triển khai trong quy mô phòng thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Polymer, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về mặt lý thuyết, hydrogel được định nghĩa là một mạng lưới polymer ba chiều (3D) ưa nước có khả năng trương nở và giữ một lượng nước lớn (chiếm tối thiểu 10% tổng khối lượng hoặc thể tích) mà vẫn duy trì được tính toàn vẹn về mặt hình thái học nhờ các liên kết chéo vật lý hoặc hóa học. Tính chất tự lành của hệ hydrogel chitosan – vanilin được thiết lập trên cơ sở hình thành liên kết base Schiff (liên kết imine động, $-C=N-$) giữa nhóm amin tự do ($-NH_2$) trên các mắt xích D-glucosamine của mạch chitosan với nhóm aldehyde ($-CHO$) của phân tử vanilin (4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde). Mạng lưới này có tính chất động học thuận nghịch: khi bị tác động cơ học làm nứt vỡ, lực hút tĩnh điện cùng với sự tái tạo liên kết base Schiff và mạng lưới liên kết hydro thứ cấp sẽ thúc đẩy sự dính liền các bề mặt tiếp xúc mà không cần tác nhân kích hoạt bên ngoài.

Khóa luận sử dụng hệ thống hóa chất và trang thiết bị thực nghiệm được tiêu chuẩn hóa để thực hiện các phép đo phân tích:

Danh mục	Tên vật liệu / Thiết bị	Thông số kỹ thuật / Nhà cung cấp	Mục đích sử dụng
Hóa chất	Chitosan	Bột trắng, 90% chitin từ vỏ cua hoàng đế, Công ty Tin Cậy	Polymer tạo khung mạng 3D
	Vanilin	Tinh thể trắng, độ tinh khiết $\ge 99%$, Pháp	Tác nhân khâu mạng base Schiff và kháng khuẩn
	Dung môi & Đệm	Ethanol $\ge 99,7%$ (Chemsol VN); Acid acetic (Xilong TQ); PBS	Hòa tan, tạo môi trường phản ứng và thử nghiệm
Thiết bị	FTIR – 4700	Jasco (Nhật Bản), đầu đo ATR, độ phân giải $4\text{ cm}^{-1}$	Xác định các nhóm chức và liên kết hóa học
	Brookfield CT3	Brookfield Ametek (Mỹ), đầu dò trụ, tốc độ $1\text{ mm/s}$	Đánh giá ứng suất, biến dạng và module nén
	UV–VIS UH–5300	Hitachi / Dynamica, bước sóng $400 - 1100\text{ nm}$	Đo độ truyền quang và giải phóng vanilin ($280\text{ nm}$)
	SEM TM4000Plus	Hitachi (Nhật Bản), điện thế gia tốc $5\text{ kV}$, phủ platin	Quan sát hình thái vi cấu trúc và độ xốp
	Hệ phụ trợ	Máy sấy đông khô, máy đo màu CIELAB, tủ sấy Memmert	Làm khô mẫu, đo thông số màu, ổn định nhiệt

Phương pháp thực nghiệm được triển khai theo quy trình kỹ thuật 4 bước:

1. Chuẩn bị dung dịch chitosan: Hòa tan 5 g bột chitosan vào 100 mL dung dịch acid acetic nồng độ 1% trong cốc thủy tinh, tiến hành gia nhiệt và khuấy trộn liên tục cho tan hoàn toàn, sau đó đem ly tâm để loại bỏ bọt khí và cặn không tan nhằm thu được dung dịch chitosan 5% (w/v).
2. Chuẩn bị dung dịch vanilin: Cân chính xác các lượng vanilin khác nhau (khảo sát từ 0,1 g đến 0,8 g, tương ứng với tỷ lệ hàm lượng từ 20% đến 160% w/w so với chitosan), sau đó dùng 2 mL ethanol để hòa tan hoàn toàn chất rắn.
3. Phản ứng tạo hydrogel: Cân cố định 10 g dung dịch chitosan 5%, khuấy đều rồi bổ sung từ từ dung dịch vanilin đã chuẩn bị; tiếp tục khuấy để hỗn hợp đạt trạng thái đồng nhất, sau đó rót vào khuôn định hình. Mẫu được bảo quản và ủ phản ứng ở nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$) trong 24 giờ để hình thành cấu trúc gel ổn định và tránh thoát hơi nước.
4. Phân tích và kiểm nghiệm tính chất:
   • Thời gian hóa gel: Xác định bằng phương pháp đảo ống nghiệm/hũ bi mỗi 30 giây một lần, mốc thời gian gel hóa kết thúc được ghi nhận khi nghiêng hũ mà bề mặt chất lỏng không còn dịch chuyển hay chảy tràn.
   • Phổ FTIR: Quét trên các mẫu hydrogel đã sấy thăng hoa (đông khô) trên đế ATR trong vùng số sóng từ $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$.
   • Tương tác với nước: Đo độ ẩm ($MC%$) qua độ hụt khối lượng sau sấy thăng hoa; độ trương ($SR%$) sau khi ngâm trong 20 mL nước cất ở nhiệt độ phòng suốt 24 giờ; và độ tan trong nước ($WS%$) bằng cách sấy khô phần dịch nước sau ngâm đến khối lượng không đổi.
   • Độ trương theo pH và độ tan theo nhiệt độ: Ngâm 1,5 g hydrogel vào 20 mL các hệ dung dịch đệm acetat pH 5,5, đệm PBS pH 7,4 và pH 9 ở $37^\circ\text{C}$ trong 24 giờ để đánh giá độ trương; khảo sát sự hòa tan của 1 g gel trong 20 mL acid acetic 1% ở dải nhiệt độ từ $37^\circ\text{C}$, $40^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$.
   • Động học giải phóng vanilin: Ngâm 1,5 g gel vào 30 mL nước ở $37^\circ\text{C}$, định kỳ mỗi 30 phút (đến 150 phút) rút 1 mL dung dịch, pha loãng 2 lần và đo độ hấp thụ quang phổ UV-Vis tại bước sóng cực đại $\lambda = 280\text{ nm}$, tính toán dựa trên đường chuẩn nồng độ vanilin ($5 - 40%$).
   • Vi cấu trúc và tự lành: Đánh giá diện tích lỗ xốp bề mặt từ ảnh SEM qua phần mềm ImageJ; kiểm tra khả năng tự lành bằng cách cắt đôi mẫu gel, áp sát hai mặt cắt tại nhiệt độ phòng và theo dõi tiến trình hồi phục bằng mắt thường kết hợp kính hiển vi quang học trong 2 ngày.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các cơ sở lý luận về khoa học vật liệu hydrogel và các hợp chất cấu thành. Tác giả phân loại chi tiết hydrogel dựa trên thành phần (homopolymer, copolymer, multipolymer), nguồn gốc (tự nhiên, tổng hợp), điện tích (cation, anion, trung tính) và bản chất liên kết mạng (vật lý, hóa học, nhạy kích thích thông minh như pH, nhiệt độ, enzyme). Các tiêu chuẩn sinh học cốt lõi đối với hydrogel y tế được luận giải rõ, bao gồm: tính chất cơ lý đàn hồi tương tự mô mềm sống, khả năng giữ ẩm, độ tương thích sinh học (an toàn sinh học và chức năng sinh học không gây độc tế bào), tính phân hủy sinh học dưới tác dụng của enzyme lysozyme trong cơ thể, cùng khả năng cầm máu và ức chế vi sinh vật.

Đối với nguyên liệu chitosan, văn bản nêu rõ công thức cấu tạo phân tử poly [$\beta$-(1,4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose], trọng lượng phân tử trung bình trong khoảng $10.000 \div 50.000\text{ đvC}$, nhiệt độ nóng chảy $309^\circ\text{C} \div 311^\circ\text{C}$, và cơ chế tích điện dương polycationic trong môi trường $\text{pH} < 6$ nhờ sự proton hóa các nhóm amin. Khi nồng độ chitosan đạt trên 0,25%, vật liệu có khả năng ức chế sự phát triển của các chủng vi sinh vật như Escherichia coli, Fusarium, Alternaria và Helminthosporium. Về phía vanilin (4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde, công thức phân tử $\text{C}_8\text{H}_8\text{O}_3$, khối lượng mol $152,15\text{ g/mol}$, nhiệt độ nóng chảy $81^\circ\text{C} \div 83^\circ\text{C}$), tác giả phân tích các nhóm chức phenolic, aldehyde và ether, đồng thời nêu bật khả năng ứng dụng nhóm aldehyde để tham gia phản ứng khâu mạng sinh học nhằm tăng cường cơ tính và bổ sung tính kháng khuẩn tự nhiên cho màng hydrogel.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp tiến hành

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc nguyên liệu, đặc tính kỹ thuật của các trang thiết bị và quy trình tiến hành các phép đo thực nghiệm. Tác giả chuẩn hóa quy trình chuẩn bị dung dịch chitosan 5% (w/v) trong acid acetic 1% và quy trình hòa tan vanilin trong ethanol. Các công thức toán học dùng để tính toán các thông số định lượng được thiết lập cụ thể:

• Độ ẩm: $MC% = \frac{M_0 - M_1}{M_0} \times 100%$ (với $M_0$ là khối lượng gel tươi ban đầu, $M_1$ là khối lượng sau sấy thăng hoa).
• Độ trương: $SR% = \frac{M_2 - M_3}{M_3} \times 100%$ (với $M_2$ là khối lượng gel sau khi ngâm nước 24 giờ, $M_3$ là khối lượng sau sấy khô).
• Độ tan trong nước: $WS% = \frac{M_4}{M_3} \times 100%$ (với $M_4$ là khối lượng phần chất rắn hòa tan trong nước sau sấy khô).
• Đặc tính nén: Ứng suất $\sigma = \frac{F}{A}$ và biến dạng $\varepsilon = \frac{\Delta l}{L}$, từ đó xác định module đàn hồi dựa trên độ dốc của đồ thị ứng suất - biến dạng.

Chương này cũng thiết lập phương trình đường chuẩn đo quang học của vanilin ở bước sóng hấp thụ cực đại $280\text{ nm}$ trong dung dịch nước, làm cơ sở định lượng nồng độ vanilin khuếch tán từ màng gel ra môi trường dịch thể sinh lý ở $37^\circ\text{C}$.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng vanilin đến tính chất mạng hydrogel:

• Động học tạo gel và phổ FTIR: Khi tăng khối lượng vanilin đưa vào phản ứng với cùng một lượng dung dịch chitosan cố định, mật độ liên kết chéo tăng dần. Kết quả đo phổ hồng ngoại FTIR của chitosan ban đầu, vanilin và hydrogel chitosan - vanilin khẳng định sự xuất hiện của liên kết cộng hóa trị thuận nghịch base Schiff (nhóm imine $-C=N-$ hình thành từ phản ứng giữa amine và aldehyde) cùng mạng lưới liên kết hydro dày đặc.
• Tính chất cơ lý và tương tác với nước: Mật độ liên kết chéo tăng làm cho mạng lưới polyme liên kết chặt chẽ hơn. Dữ liệu thử nghiệm cơ tính trên máy Brookfield CT3 chỉ ra rằng độ chịu nén (ứng suất phá hủy và module đàn hồi) tăng tỷ lệ thuận với lượng vanilin. Ngược lại, khả năng hấp phụ và giữ các phân tử nước giảm xuống, thể hiện qua xu hướng giảm dần của độ ẩm ($MC%$), độ tan trong nước ($WS%$) và độ trương ($SR%$) sau 24 giờ ngâm.
• Độ truyền quang và màu sắc: Tăng nồng độ vanilin làm hydrogel chuyển từ dạng trong sang đục, có màu trắng hơi ngà đến vàng nhạt (thể hiện qua sự biến thiên các thông số màu sắc $L^, a^, b^*$). Độ truyền qua của ánh sáng trong dải bước sóng khả kiến và hồng ngoại gần ($400 - 1100\text{ nm}$) giảm rõ rệt khi hàm lượng chất tạo liên kết chéo tăng cao.
• Đặc tính nhạy pH và nhiệt độ: Hydrogel thể hiện tính chất trương nhạy pH rõ nét tại $37^\circ\text{C}$. Trong môi trường acid (đệm acetat pH 5,5), hydrogel có độ trương nở cao vượt trội so với môi trường trung tính (PBS pH 7,4) hoặc môi trường base (PBS pH 9). Hiện tượng này xảy ra do sự proton hóa các nhóm amin chưa phản ứng trên mạch chitosan trong môi trường acid, tạo ra các điện tích dương cùng dấu đẩy nhau làm giãn nở cấu trúc mạng 3D. Về độ tan theo nhiệt độ, hydrogel bị hòa tan hoàn toàn trong acid acetic 1% khi nâng nhiệt độ từ $40^\circ\text{C}$ lên $80^\circ\text{C}$.
• Hình thái vi cấu trúc và giải phóng hoạt chất: Ảnh chụp hiển vi điện tử quét SEM cho thấy hydrogel sở hữu cấu trúc vi xốp không gian ba chiều. Tốc độ giải phóng vanilin từ hydrogel vào môi trường nước ở $37^\circ\text{C}$ tăng đều đặn theo thời gian.
• Khả năng tự lành: Kết quả quan sát thực nghiệm và kính hiển vi quang học cho thấy hai phần hydrogel bị cắt rời có khả năng tự kết dính liền mặt cắt ở nhiệt độ phòng và nâng được khối lượng bản thân mà không bị tách rời. Dưới kính hiển vi, vết cắt hợp nhất hoàn toàn sau 2 ngày theo dõi. Tác giả xác định mẫu hydrogel tối ưu cho khả năng tự lành là mẫu có tỷ lệ khối lượng vanilin chiếm 26%.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết toàn bộ kết quả thực nghiệm của khóa luận, khẳng định việc tổng hợp thành công hydrogel tự lành dựa trên phản ứng tạo liên kết chéo base Schiff giữa chitosan và vanilin mà không cần sử dụng các hóa chất khâu mạng độc hại. Các thông số đặc trưng của mẫu tối ưu (tỷ lệ vanilin 26%) đáp ứng tốt các yêu cầu chức năng đối với một vật liệu băng vết thương: khả năng hút dịch tiết cao, tạo môi trường ẩm thuận lợi cho quá trình biểu mô hóa, kiểm soát tốc độ giải phóng chất kháng khuẩn tự nhiên, và duy trì tính toàn vẹn cấu trúc nhờ cơ chế tự phục hồi khi chịu áp lực cơ học từ cử động cơ thể. Tác giả đề xuất các kiến nghị nhằm tiếp tục hoàn thiện đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã điều chế và xác định thành công các thông số định lượng cho mẫu hydrogel chitosan - vanilin đạt hiệu năng tự lành tối ưu:

Chỉ tiêu đặc tính	Giá trị định lượng ghi nhận	Điều kiện / Phương pháp đo
Tỷ lệ khối lượng vanilin	$26%$	Tỷ lệ khối lượng tối ưu trong phản ứng
Thời gian hóa gel	$12\text{ giờ}$	Đảo hũ định kỳ ở nhiệt độ phòng
Độ ẩm ($MC$)	Gấp $15\text{ lần}$ khối lượng khô	Sấy đông khô thăng hoa
Độ trương ($SR$)	Gấp $90\text{ lần}$ khối lượng khô	Ngâm nước cất 24 giờ
Diện tích lỗ xốp vi cấu trúc	Khoảng $6000\text{ }\mu\text{m}^2$	Ảnh chụp SEM kết hợp phần mềm ImageJ
Động học giải phóng vanilin	Đạt khoảng $57%$	Sau $150\text{ phút}$ ngâm nước ở $37^\circ\text{C}$ ($\lambda = 280\text{ nm}$)
Độ trương theo pH	Trương cực đại ở môi trường acid	Đệm acetat $\text{pH } 5,5$ so với PBS $\text{pH } 7,4$ và $\text{pH } 9$
Thời gian tự phục hồi vết cắt	$2\text{ ngày}$	Theo dõi liền vết cắt qua kính hiển vi quang học

Khóa luận đưa ra giải pháp ứng dụng hệ hydrogel này làm vật liệu băng dán y tế để bảo vệ và điều trị các vết thương hở. Nhờ cơ chế tự lành từ liên kết base Schiff động, màng hydrogel có thể tự phục hồi cấu trúc khi bị nứt rách do vận động của bệnh nhân, hạn chế việc phải thay băng thường xuyên gây tổn thương mô mới tái tạo.

Về mặt đóng góp khoa học so với các nghiên cứu trước đó, tác giả tự nêu:

• Đề tài mở ra một hướng đi mới và giàu tiềm năng khi phần lớn các nghiên cứu trước đây (như nghiên cứu của Tomadoni và cộng sự, hoặc Marta Stroescu và cộng sự) chủ yếu sử dụng chitosan kết hợp vanilin để chế tạo màng bao gói bảo quản thực phẩm, rất ít công trình tập trung nghiên cứu hydrogel tự phục hồi (ngoại trừ công bố của C. Xu và cộng sự năm 2018 hay M. Iftime và cộng sự năm 2022).
• Khóa luận cung cấp hệ thống số liệu công nghệ thực nghiệm hoàn chỉnh về sự ảnh hưởng của nồng độ vanilin đến cấu trúc hóa học, vi hình thái học và các đặc tính hóa lý của hydrogel chitosan.
• Tận dụng nguồn nguyên liệu chitosan điều chế từ phụ phẩm vỏ cua hoàng đế kết hợp với vanilin tự nhiên, tạo ra vật liệu y sinh phân hủy sinh học, giá thành rẻ, không chứa hóa chất liên kết chéo độc hại, thích hợp cho ứng dụng băng vết thương hở trong y tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của nghiên cứu: Toàn bộ các thử nghiệm mới chỉ được thực hiện trong phạm vi quy mô phòng thí nghiệm. Việc đánh giá khả năng tự phục hồi của vết cắt hydrogel chủ yếu dựa trên quan sát cảm quan thực nghiệm và hình ảnh kính hiển vi quang học, chưa đo lường định lượng sự phục hồi của module đàn hồi cơ học sau khi tự lành. Đồng thời, nghiên cứu chưa tiến hành thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn in vitro trực tiếp của hydrogel trên các chủng vi khuẩn gây nhiễm trùng vết thương, cũng như chưa triển khai thử nghiệm độc tính tế bào và tương thích sinh học in vivo trên mô động vật.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu đánh giá hoạt tính kháng khuẩn định lượng của hydrogel chitosan - vanilin đối với các chủng vi khuẩn Gram âm và Gram dương phổ biến trong nhiễm trùng y khoa (như E. coli, S. aureus); tiến hành thử nghiệm nuôi cấy tế bào để xác định độ an toàn sinh học; và tối ưu hóa điều kiện phản ứng nhằm rút ngắn thời gian gel hóa (hiện tại là 12 giờ) để gia tăng tính khả thi trong sản xuất ứng dụng thực tế.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu Polyme, Hóa Dược và Kỹ thuật Y sinh.

Các nội dung có giá trị tham khảo học thuật cao trong văn bản gồm:

• Quy trình chi tiết điều chế hydrogel tự lành từ polyme tự nhiên thông qua liên kết base Schiff động không sử dụng dung môi hay chất khâu mạng độc hại.
• Phương pháp xây dựng đường chuẩn đo quang phổ UV-Vis phục vụ khảo sát động học khuếch tán giải phóng hoạt chất sinh học (vanilin) theo thời gian.
• Quy trình kết hợp phân tích vi cấu trúc lỗ xốp bằng kính hiển vi điện tử quét SEM và xử lý dữ liệu diện tích lỗ xốp thông qua phần mềm phân tích ảnh ImageJ.
• Hệ thống phương pháp khảo sát toàn diện tính chất tương tác của màng hydrogel đối với nước, độ trương nở nhạy pH và độ bền nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

1. Liên kết hóa học nào đóng vai trò cốt lõi trong cơ chế tự lành của hydrogel chitosan - vanilin?
Khả năng tự lành của hydrogel được hình thành dựa trên liên kết base Schiff động (imine, $-C=N-$) hình thành giữa nhóm amin tự do ($-NH_2$) của chitosan và nhóm aldehyde ($-CHO$) của vanilin, kết hợp với mạng lưới liên kết hydro và lực hút tĩnh điện. Khi hydrogel bị cắt hoặc nứt vỡ, các liên kết cũ bị phá vỡ sẽ nhanh chóng tái tạo thành các liên kết mới tại bề mặt tiếp xúc, giúp các mảnh vật liệu tự dính liền lại với nhau.

2. Nguồn gốc của vật liệu chitosan được tác giả sử dụng trong nghiên cứu này từ đâu và có đặc tính gì?
Chitosan được sử dụng trong khóa luận có dạng bột màu trắng với hàm lượng chitin chiếm 90%, được điều chế từ nguồn vỏ cua hoàng đế và do Công ty Cổ phần Đầu tư Thương mại Dịch vụ Tin Cậy phân phối.

3. Khối lượng vanilin ảnh hưởng như thế nào đến cơ tính và độ trương nở của hydrogel?
Khi giữ nguyên khối lượng chitosan và tăng dần khối lượng vanilin đưa vào phản ứng, mật độ liên kết chéo base Schiff và liên kết hydro gia tăng. Điều này dẫn đến khả năng chịu nén (ứng suất và module đàn hồi) của hydrogel tăng lên, trong khi độ ẩm, độ tan trong nước và độ trương nở của mạng gel có xu hướng giảm dần.

4. Mẫu hydrogel tự lành tốt nhất được xác định trong khóa luận có các thông số kỹ thuật nào?
Mẫu hydrogel có tỷ lệ khối lượng vanilin chiếm 26% thể hiện khả năng tự lành tốt nhất, với thời gian hóa gel là 12 giờ, độ ẩm gấp 15 lần và độ trương gấp 90 lần so với khối lượng khô, diện tích lỗ xốp trung bình đạt khoảng $6000\text{ }\mu\text{m}^2$, lượng vanilin giải phóng ra môi trường nước đạt khoảng 57% sau 150 phút ở $37^\circ\text{C}$, và có khả năng tự phục hồi vết cắt sau 2 ngày theo dõi dưới kính hiển vi.

5. Tại sao hydrogel lại có độ trương nở trong môi trường acid cao hơn so với môi trường trung tính và base?
Trong môi trường acid ($\text{pH } 5,5$), các nhóm amin tự do ($-NH_2$) còn lại trên mạch chitosan bị proton hóa thành các nhóm cation amin mang điện tích dương ($-NH_3^+$). Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm tích điện dương cùng dấu này làm giãn rộng các chuỗi polyme trong mạng lưới ba chiều, tạo điều kiện cho các phân tử nước thâm nhập nhiều hơn, dẫn đến độ trương của hydrogel trong môi trường acid cao hơn rõ rệt so với môi trường đệm PBS trung tính ($\text{pH } 7,4$) hoặc base ($\text{pH } 9$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Hoa đã nghiên cứu thành công quy trình điều chế hydrogel tự phục hồi dựa trên phản ứng tạo liên kết chéo base Schiff giữa chitosan chiết xuất từ vỏ cua hoàng đế và vanilin tự nhiên. Các kết quả thực nghiệm khẳng định việc điều chỉnh hàm lượng vanilin có ảnh hưởng quyết định đến thời gian hóa gel, độ bền nén, hình thái vi xốp và khả năng tương tác với nước của màng vật liệu. Với mẫu tối ưu chứa 26% vanilin, hệ hydrogel đạt được sự cân bằng giữa độ trương nở, cấu trúc lỗ xốp khoảng $6000\text{ }\mu\text{m}^2$, khả năng giải phóng hoạt chất kháng khuẩn kiểm soát và phục hồi hoàn toàn vết cắt sau 2 ngày. Đây là cơ sở khoa học thực nghiệm quan trọng mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu hydrogel tự lành thân thiện với môi trường trong lĩnh vực băng bó và hỗ trợ điều trị vết thương hở.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Định nghĩa hydrogel Hydrogel là một mạng lưới ba chiều (3D) gồm các polyme ưa nước có thể trương nở trong nước và giữ một lượng lớn nước trong khi vẫn duy trì cấu trúc do liên kết ngang hóa học hoặc vật lý của các chuỗi polyme riêng lẻ. Hydrogel được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1960 bởi Wichterle và Lím. Theo định nghĩa, nước phải chiếm ít nhất 10% tổng trọng lượng (hoặc thể tích) đối với vật liệu làm hydrogel. Hydrogel cũng có một mức độ linh hoạt rất giống với mô tự nhiên do hàm lượng nước đáng kể của chúng.

Tính ưa nước của mạng lưới là do sự hiện diện của các nhóm ưa nước như: -NH2,-COOH, - OH,…theo kèm với đó là nhờ hệ thống mao dẫn và áp suất thẩm thấu.2 Phân loại Hydrogel có thể được chia thành các loại được hình thành từ polyme tự nhiên hoặc polyme tổng hợp. Tùy thuộc vào điện tích ion trên các nhóm liên kết, hydrogel có thể là cation, anion hoặc trung tính. Các loại tác nhân liên kết ngang cũng có thể là tiêu chí để phân loại.[12] Hydrogel Thành phần Điện tích Nguồn gốc Liên kết Phản ứng Tính chất vật lí Homopolymer Dương Tự Vật lí Hóa học Hóa sinh Vật lí nhiên Thông minh Copolymer Hóa học pH Antigen Nhiệt độ Âm Tổng hợp Glucose Enzyme Multipolymer Không Thông Áp suất thường mang Nhân điện Oxy Ligand tạo Ánh sáng Hình 1.1 Phân loại hydrogel 1 1.3 Các tính chất của hydrogel [13] a) Tính chất cơ lý Tính chất cơ lý là yếu tố cơ bản để lựa chọn nguyên liệu, bởi vậy độ bền cơ học của hydrogel là chỉ tiêu quan trọng khi được lựa chọn trong các vấn đề điều trị vết thương. Tính chất cần thiết của hydrogel phục vụ cho khả năng kháng nấm, điều trị vết thương là độ mềm dẻo, độ bền.

Độ bền của vật liệu có thể thay đổi phụ thuộc vào bản chất vật liệu hoặc tăng hàm lượng các chất phản ứng để tăng khả năng khâu mạng. Tuy nhiên, cần xác định một mức độ khâu mạng tối ưu, do mức độ khâu mạng quá cao thì sẽ dẫn đến tính giòn hoặc ít đàn hồi. Tính đàn hồi của hydrogel rất quan trọng để tạo ra độ mềm dẻo, thuận lợi cho quá trình di chuyển của các tác nhân có hoạt tính sinh học và khả năng tự lành của hydrogel. Bởi vậy,việc cân bằng giữa độ cứng hydrogel và độ mềm dẻo là cần thiết để sử dụng các vật liệu một cách phù hợp.

Ngoài ra, quá trình nhả trương cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của hydrogel. Bản chất hydrogel chủ yếu là nước mà ở trong trạng thái trương hoàn toàn cũng có thể bị vỡ thành các hạt nhỏ dưới áp lực môi trường xung quanh. Và sự xuất hiện các hạt nhỏ làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hydrogel với môi trường khô xung quanh khiến cho quá trình nhả hấp diễn ra nhanh hơn làm cho hydrogel mất nước vì vậy phải bảo quản trong môi trương cân bằng để hạn chế sự thoát hơi nước.2 Mạch poly mer trước và sau khi khâu mạch 2 b) Tính chất trương Tính chất trương của hydrogel là khả năng trương trong nước dưới những điều kiện môi trường khác nhau cũng như nhiệt độ khiến hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng sử dụng trong vận chuyển thuốc, điều trị vết thương. Do có hàm lượng nước cao nên các hydrogel này giống tế bào sống tự nhiên hơn những vật liệu sinh học tổng hợp khác.

Các mạng lưới này có cấu trúc khâu mạng cho phép cố định các tác nhân hoạt động hay các phân tử sinh học một cách hiệu quả và cho phép giải phóng chúng theo một cách riêng, dẫn đến hydrogel có nhiều ứng dụng khác nhau.3 Sự trương nở của hydrogel c) Tính chất tương hợp sinh học Một đặc điểm bắt buộc của vật liệu y sinh là khả năng tương thích sinh học và không độc. Hầu hết các polyme được sử dụng cho ứng dụng y sinh đều phải trải qua những thử nghiệm về độc tế bào và độc tính in vivo. Bởi vậy, việc đánh giá khả năng gây độc của tất cả các loại vật liệu sử dụng để tạo hydrogel là một phần không thể thiếu nhằm xác định tính phù hợp của gel cho những ứng dụng sinh học. Tính tương thích sinh học thường được xác định qua hai chỉ tiêu: -An toàn sinh học: có nghĩa là hydrogel không gây độc vết thương, xung quanh vết thương, không gây đột biến hay gây ung thư.

-Chức năng sinh học: phụ thuộc vào nguyên liệu, nhằm để thực hiện các chức năng của nó. Tính không độc hại của polymer phải được duy trì trong suốt quá trình sử dụng. Tuy nhiên các yếu tố như dung môi không phản ứng hết thì cần phải loại bỏ chúng trước khi sử dụng. d) Tính phân hủy sinh học Vật liệu sử dụng trong lĩnh vực y sinh hay y học thường đòi hỏi phải có khả năng phân hủy sinh học.

Phân hủy sinh học là quá trình vật liệu y tế được sử dụng cho các vết 3 thương ở người. Chitosan được chuyển hóa bởi một số enzym nhất định của con người, chẳng hạn như Lysozyme, do đó, nó có thể phân hủy sinh học. e) Tính kháng khuẩn và cầm máu Các loại vật liệu sử dụng trong y sinh như băng vết thương hay kĩ thuật mô thì hydrogel cần phải có tính chất cầm máu và kháng khuẩn vì vậy sự phát triển của hydrogel có khả năng thông qua việc gắn kháng sinh vào hydrogel hay đơn giản hơn là chính bản thân hydrogel đó. Chitosan có lợi cho việc chữa lành vết thương vì nó kích thích quá trình cầm máu và tăng tốc độ tái tạo mô.

Khi có hơn 0,25% chitosan, sự phát triển của Excherichia coli, Fusarium, Alternaria và Helminthosporium bị ức chế (Savard và cộng sự, 2002). Sự kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật này là do các nhóm cation amin của chitosan liên kết với các nhóm anion của vi sinh vật làm cho vi sinh vật khó phát triển.4 Ứng dụng thực tiễn của hydrogel[11] Hydrogel cung cấp nhiều đặc tính về độ bền, cơ học, động lực học giữa các bề mặt và các phản ứng sinh học khiến chúng có liên quan nhiều đến một loạt các ứng dụng tiềm năng. Hydrogel có thể giải quyết những thách thức chính trong y sinh, chăm sóc cá nhân, mỹ phẩm, chế phẩm sinh học, môi trường, xúc tác và các ứng dụng nông nghiệp, nhấn mạnh vào cách hydrogel có thể được thiết kế hợp lý trong từng trường hợp để đạt hiệu suất tối ưu.1 Ứng dụng trong y tế của hydrogel Hydrogel được ứng dụng rộng rãi trong y tế như phân phối thuốc, kỹ thuật mô, bao bọc tế bào, chữa lành vết thương nên hydrogel được tổng hợp và có tiềm năng rất lớn. a) Hydrogel trong phân phối thuốc qua cơ thể Hydrogel là vật liệu sinh học được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng phân phối thuốc y sinh và dược phẩm.

Hydrogel dựa trên polyme tự nhiên cho thấy tính không độc hại của chúng, khả năng phân hủy và giải phóng bền vững. Những lợi ích bổ sung bao gồm dễ chế tạo, chi phí phù hợp và khả năng sản xuất hàng loạt. Những tính năng đặc biệt này của hydrogel được ứng dụng trong dược phẩm hay hóa mỹ phẩm [14], mặt nạ Collagen Hydrogel (của Skin Republic) có chứa collagen và sodium hyaluronate là một loại mặt nạ huyết thanh được sử dụng để duy trì độ ẩm, độ đàn hồi và sự sáng khỏe của làn da. Các công thức chứa các khoáng chất biển giàu chất dinh dưỡng để nuôi dưỡng 4 và hydrat hóa [15] .Ví dụ, hydrogel được ứng dụng trong nhiều phương pháp điều trị quan trọng như dẫn thuốc qua miệng, đường tiêu hóa, dẫn thuốc chữa qua da( J.Y Fang và cộng sự) đã phát triển các hydrogel cationic với tính chất trương và nhả thuốc nhạy pH để vận chuyển kháng sinh trong môi trường axit của dạ dày.

b) Hydrogel để băng vết thương Băng vết thương có nguồn gốc là hydrogel được coi là một giải pháp lý tưởng để xử lý vết thương. Hydrogel giữ được môi trường ẩm tại nơi bôi thuốc và được sử dụng cho các vết thương hoại tử tiết dịch hoặc khô. Ngoài ra, hydrogel cũng thể hiện các tính năng độc đáo khác, chẳng hạn như mềm, dễ uốn và tương hợp sinh học. Ngoài ra, bản chất không gây ung thư của hydrogel hoàn toàn thích hợp để làm vật liệu băng vết thương [16, 17].

Ví dụ như hydrogel của chitosan kết hợp với vanilin làm băng vết thương trị vết thương có khả năng kháng nấm[18]. Các ứng dụng của hydrogel trong y sinh rất đa dạng và có tầm ảnh hưởng nhất định.5 Quá trình nhã và hấp thu của hydrogel Hình 1.4 Các ứng dụng trong y tế 5 1.2 Ứng dụng trong nông nghiệp[13] Hydrogel siêu hấp thụ nước có thể dự trữ một lượng nước rất lớn trong một thời gian dài, do vậy nó làm giảm tỷ lệ chết và giảm công sức chăm sóc đối với thực vật. Việc giữ một lượng nước lớn trong một thời gian dài còn có ý nghĩa quan trọng trong việc trồng Hình 1.6 Sự khác nhau giữa 2 cây dùng và không dùng hydrogel cây ở những vùng khô hạn, vận chuyển cây đi xa. Các hydrogel siêu hấp thụ nước còn có khả năng cải tạo đất trồng khi trương hydrogel làm gãy một phần cấu trúc của đất sét nặng, do đó làm tăng quá trình lưu thông và thoát nước.

Ngoài ra, hydrogel cũng có thể trương lên cực đại nhằm mục đích giữ nước hoặc thoát nước nhanh chóng [19]. Ngoài ra hydrogel còn được dùng trong xử lí chất thải gia súc( Lê Thị Thùy Trang, 2009). Vật liệu hydrogel “siêu trương nước” từ polyacrylamide (PAM), CMC và tinh bột là những ví dụ điển hiển để tổng hợp hydrogel ưa nước. Hydrogel được ứng dụng rộng rãi trong thực tế và có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai.5 Tổng quan hydrogel tự lành 1.1 Định nghĩa Hydrogel tự lành là một loại polymer cao phân tử được cấu tạo bởi một mạng lưới các chuỗi polyme liên kết chéo.

Sự tự lành hình thành là do tạo các liên kết mới khi các liên kết cũ bị phá vỡ trong vật liệu. Cấu trúc của hydrogel cùng với lực hút tĩnh điện thúc đẩy sự hình thành liên kết mới thông qua các nhóm chức cộng hóa trị có thể tái tạo lại hoặc liên kết hydro không cộng hóa trị. Hydrogel được tổng hợp từ các monome ưa 6 nước bằng cách tăng trưởng chuỗi hoặc phản ứng với một chất liên kết chéo để thúc đẩy sự hình thành mạng lưới.7 Các liên kết của sự tự lành 1.2 Các ví dụ về hydrogel tự lành[20] Bảng 1.1 Hydrogel từ chitosan tự lành Nguyên liệu Ứng dụng Bài nguyên cứu Tái tạo mô, phân phối Poly(ethylene glycol) (PEG) thuốc và chữa lành vết [21] và chitosan thương. DF-PEG và chitosan Chữa lành vết thương.