CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Hệ composite giữa chitosan và tinh bột 1. Tổng quan về chitosan Chitosan - (C6H11O4N)n là một polysaccharide cấu tạo từ mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết 𝛽-(1,4)-glycoside [4]. Chitosan thương mại được sản xuất bằng cách deacetyl hoá chitin, thành phần chính trong vỏ của các loại giáp xác như tôm, cua.
Phương pháp chính để sản xuất chitosan là dùng NaOH khử acetyl của chitin như sơ đồ hình 1. Độ acetyl hoá hoặc deacetyl hoá, độ kết tinh và khối lượng phân tử của polymer sẽ quyết định tính chất hoá lý của chitosan [5]. Cấu trúc của chitosan [6]. Phản ứng điều chế chitosan từ chitin [7].
Tính chất hoá lý của chitosan Chitosan không tan trong môi trường pH trung tính, kiềm và hầu hết dung môi hữu cơ nhưng trong môi trường acid (pH ≤ 6.5), các nhóm amino bị ion hoá thành cation làm cho chitosan có thể tan trong các acid và hình thành dung dịch nhớt [8]. Mức độ deacetyl hoá và khối lượng phân tử sẽ quyết định độ tan trong acid cũng như độ nhớt của chitosan. Chính vì hoạt động như một cation trong môi trường pH thấp, chitosan dễ tạo liên kết và hình thành gel khi phản ứng với các polymer chứa nhóm carboxyl như alginate, pectin… Nhóm chức amino (-NH2) và hydroxyl (-OH) cho phép chitosan thực hiện nhiều phản ứng hoá học, tạo ra các dẫn xuất khác nhau của chitosan với các đặc tính được cải thiện [9]. Liên kết glycoside giữa các đơn vị 1 glucosamine có thể bị cắt đứt bởi enzyme, tác nhân oxy hoá hay acid nhằm giảm trọng lượng phân tử của chitosan [5].
Tổng quan về tinh bột Tinh bột - (C6H10O5)m là một polysaccharide cấu tạo từ hai loại polymer chính gồm amylose và amylopectin. Amylose là polymer mạch thẳng cấu thành từ các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết 𝛼 -(1,4)-glycoside (hình 1. Với amylopectin, mạch polymer xuất hiện thêm các nhánh được liên kết bằng liên kết 𝛼- (1,6)-glycoside (hình 1. Tinh bột có nhiều trong các loại thực vật như lúa gạo, lúa mì, khoai tây, khoai mì, ngô… và là nguồn carbohydrate phổ biến nhất cho chế độ ăn của con người.
Cấu trúc của amylose [11]. Cấu trúc của amylopectin [11]. Tỷ lệ amylose/amylopectin trong tinh bột khác nhau tuỳ theo nguồn gốc của thực vật (bảng 1.1) và tỷ lệ này sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính chất hoá lý của tinh bột. Tỷ lệ amylose/amylopectin trong các loại thực vật [12] Nguồn gốc Amylose (%) Amylopectin (%) Lúa gạo 17.3 Khoai tây 21 79 Ngô 17 – 25 75 – 83 Sắn 16 84 1.
Tính chất hoá lý của tinh bột Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể, không tan trong nước ở nhiệt độ thường nhưng khi được gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ hồ hoá, hạt tinh bột trương nở do hấp thụ nước gọi là trạng thái gel [13]. Cấu trúc chứa nhiều nhóm chức hydroxyl (-OH) làm cho các phân tử tinh bột có xu hướng liên kết lại với nhau tạo nên độ hoà tan kém, độ nhớt cao [14]. Liên kết này sẽ bị cắt đứt khi gia nhiệt nên hạt tinh bột sẽ liên kết với nước và trương nở. Quá trình hồ hoá tạo độ nhớt cho huyền phù tinh bột, độ nhớt tăng nhanh chóng nếu tiếp tục gia nhiệt tạo dạng sệt và sẽ giảm độ nhớt nếu tiếp tục được gia nhiệt vượt qua nhiệt độ hồ hoá quá cao do sự phân tách của amylose và amylopectin vào dung dịch [15].
Nhiệt độ hồ hoá khác nhau đối với mỗi loại tinh bột do phụ thuộc vào tỉ lệ amylose và amylopectin (bảng 1. Khi làm nguội, amylose và amylopectin sắp xếp lại tạo trạng thái gel có cấu trúc mạng ba chiều tuy nhiên khi hỗn hợp gel này không được bảo quản đúng cách thì sẽ bị tách nước gọi là trạng thái thoái hoá [15]. Nhiệt độ hồ hoá của các loại tinh bột [16] Nguồn gốc Nhiệt độ hồ hoá Lúa gạo 68 – 77 Lúa mì 58 – 64 Khoai tây 58 – 68 Ngô 62 – 72 Sắn 59 – 69 1. Tổng quan về tinh bột biến tính oxy hoá Tinh bột ở dạng chưa biến tính có nhiệt độ hồ hoá cao, độ hoà tan kém trong nước lạnh, kém trương nở, dễ thoái hoá nên gặp nhiều hạn chế trong các ứng dụng cho ngành thực phẩm và y sinh.
Người ta dùng các phương pháp vật lý, hoá học để biến tính tinh bột nhằm thay đổi các đặc tính sẵn có của tinh bột tự nhiên như nhiệt độ hồ hoá, độ nhớt, độ đặc, cảm quan, khả năng tạo gel và liên kết của tinh bột với các phân tử khác. Trong đó, tinh bột biến tính oxy hoá cho thấy các đặc tính phù hợp cho các ứng dụng trong y sinh. NaClO là tác nhân phổ biến nhất được sử dụng để oxy hoá tinh bột. Quá trình oxy hoá tạo thêm các nhóm carboxyl (-COOH) và carbonyl (C=O) thay thế cho nhóm hydroxyl thường ở vị trí C2, C3 hoặc C6 của vòng glucose [14].
Điện tích âm của nhóm COO- tạo ra lực đẩy giữa các phân tử làm chậm quá trình thoái hoá của gel tinh bột [14]. Hoạt tính của nhóm carbonyl hoặc carboxyl cũng mạnh hơn so với hydroxyl giúp tinh bột dễ dàng tạo gel với các polymer sinh học phổ biến khác như chitosan, collagen… Nhiệt độ hồ hoá giảm, độ nhớt tăng, kích thước phân tử giảm do có sự cắt đứt liên kết glycoside giúp tinh bột biến tính dễ dàng thực hiện các quá trình hoá học so với tinh bột tự nhiên [14]. Hệ composite chitosan/tinh bột Chitosan và các dẫn xuất của chitosan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, thực phẩm, nông nghiệp… do sở hữu nhiều đặc tính sinh học có lợi với cả cơ thể con người và môi trường. Tuy nhiên, bản thân chitosan có nhiều hạn chế, đặc biệt là cơ tính yếu nên thường không được sử dụng riêng lẻ mà kết hợp với thành phần khác tạo nên các hệ composite khác nhau phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng mong muốn.
Nhóm chức amino (-NH2) và hydroxyl (-OH) trong chitosan có khả năng tạo liên kết hydro với nhiều polymer khác. Ngoài ra, khả năng hoạt động như một 4 cation giúp chitosan dễ tạo tương tác tĩnh điện với các polymer có các nhóm chức anion như carboxyl (COO-) trong môi trường acid. Tinh bột là một trong những polymer sinh học có thể kết hợp tốt với chitosan vì khả năng liên kết tạo gel tốt cũng như đảm bảo khả năng tương thích sinh học và phân huỷ sinh học vốn có của chitosan. Cơ chế tạo liên kết của chitosan và tinh bột chủ yếu đến từ liên kết hydro giữa nhóm amino của chitosan và nhóm hydroxyl của tinh bột hay giữa các nhóm hydroxyl của hai phân tử với nhau [17].
Với tinh bột biến tính oxy hoá, có thêm sự tạo liên kết giữa nhóm amino với nhóm carbonyl hay carboxyl tạo thành khi biến tính [18]. Việc sử dụng tinh bột biến tính oxy hoá để tạo composite với chitosan có thể giúp cho hỗn hợp có cơ tính tốt mà không cần đến tác nhân liên kết ngang. Ứng dụng của hệ composite chitosan/tinh bột Trong lĩnh vực thực phẩm, chitosan được sử dụng phổ biến ở dạng màng để bảo quản thực phẩm do khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy hoá và có thể phân huỷ sinh học tránh gây ô nhiễm. Màng chitosan kết hợp tinh bột giúp giảm tốc độ truyền hơi nước qua màng, cải thiện các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ giãn dài của màng [19].
Ngoài màng bọc thực phẩm, composite chitosan/tinh bột còn có thể sử dụng dưới dạng bao bì hay vật liệu phủ do có thể ăn được với mục đích bảo quản và tăng thời hạn sử dụng của thực phẩm. Trong lĩnh vực nông nghiệp, hydrogel từ chitosan và tinh bột có thể sử dụng để bọc các hạt phân nhằm giải phóng có kiểm soát phân bón, tránh phần lớn phân bị rửa trôi khi tưới nước [20]. Sự kết hợp của tinh bột vào chitosan được cho là giúp điều chỉnh độ xốp của hydrogel chitosan từ đó có thể điều chỉnh được tốc độ giải phóng của phân bón [21]. Ngoài ra, sử dụng hydrogel chitosan/tinh bột còn giúp lưu trữ một lượng nước nhất định do khả năng hấp thụ nước của hai loại polymer này.
Trong ngành dược phẩm, composite chitosan/tinh bột có thể được sử dụng như viên nan chứa thuốc hay hệ thống mang và giải phóng thuốc có kiểm soát. Cơ sở của việc giải phóng thuốc phụ thuộc vào sự nhạy với pH của gốc amino trên mạch chitosan hoặc khả năng cắt đứt liên kết glycoside nhờ tác dụng của enzyme bên trong cơ thể [22]. Sự kết hợp giữa chitosan với tinh bột giúp cải thiện cơ tính của vật liệu, kiểm soát tốc độ giải phóng thuốc của chitosan, tăng kháng khuẩn của tinh bột [23]. Các hệ thống phân phối thuốc hiện nay có thể được tổng hợp ở dạng hydrogel, viên nén hay hạt nano… và sở hữu cơ chế giải phóng thuốc tuỳ theo vị trí mục tiêu trên cơ thể.
Ngoài mang thuốc, composite chitosan/tinh bột còn có thể trở thành vật 5 liệu phân phối có kiểm soát các thành phần khác như các yếu tố tăng trưởng, gene, vaccine, protein… [20]. Trong lĩnh vực y tế, composite chitosan/tinh bột có thể sử dụng làm băng vết thương do có đặc tính kháng khuẩn, cơ tính ổn định và hoạt tính sinh học giúp kích thích tế bào từ đó đẩy nhanh tốc độ chữa lành vết thương [20]. Một ứng dụng ngày càng được quan tâm khác của composite chitosan/tinh bột là chế tạo giá thể cho kỹ thuật mô xương. Khả năng tương thích sinh học, phân huỷ sinh học, không gây độc cho cơ thể cũng như hoạt tính sinh học tốt với tế bào rất hữu ích cho quá trình tái tạo xương bị hư tổn trong cơ thể [24].
Composite ứng dụng cho kỹ thuật mô xương 1. Cấu trúc và vai trò của mô xương Hệ xương là một trong mười hệ thống lớn tạo nên cơ thể người. Theo các nghiên cứu, xương người có cấu tạo phân lớp từ hai thành phần chính: xương đặc, xương xốp [25]. Cấu trúc phân lớp của xương người [26].
Xương đặc là lớp màng cứng, dày bao bên ngoài bảo vệ phần xương xốp có mật độ xương thấp hơn ở bên trong (hình 1. Đơn vị cấu tạo cơ bản của hai loại mô xương này là lá xương. Xương đặc gồm các lá xương xếp đồng tâm bao quanh ống Havers chạy theo chiều dọc của xương [27]. Xương xốp gồm các lá xương chồng chéo lên nhau tạo nên các hốc chứa tuỷ xương và mạch máu [27].
Xét về thành phần hoá, mô xương chứa 70% các khoáng vô cơ, phổ biến nhất là calcium (Ca) và phosphorus (P) dưới dạng tinh thể hydroxyapatite (HA) có kích thước nano, 20% còn lại của mô xương là phần hữu cơ gồm các protein, glycosaminoglycans và 10% là nước [28].