CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về Hydrogel 1. Định nghĩa Hydrogel Hydrogel được định nghĩa là một mạng polymer có cấu trúc không gian ba chiều, giàu các nhóm ưa nước. Nhờ cấu trúc đó, chúng có khả năng hấp thụ một lượng lớn nước hay dung môi hữu cơ mà khối lượng có thể lên đến hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng mà chỉ xảy ra trương nở và không bị hòa tan trong dung dịch hấp thụ do sự hiện diện của các liên kết ngang vật lý hay hóa học tồn tại trong cấu trúc.[1] Hydrogel là một chất siêu hấp thụ do đặc tính trương nở vượt trội của cấu trúc xốp.
Áp suất tạo ra do mao dẫn là tác nhân vật lý hỗ trợ việc điền đầy nước vào các lỗ xốp trong cấu trúc. Hydrogel có thể được phân thành hai nhóm chính theo tính chất vật lý và hóa học: Nhóm thứ nhất là hydrogel kém bền: Trong đó các chuỗi polymer sẽ liên kết nhau bằng các liên kết có tính ổn định cấu trúc kém và dễ dàng bị biến đổi thành hỗn hợp polymer như gelatin, thạch,… bằng cách đun nóng như lực tĩnh điện, liên kết hydro, tương tác kỵ nước, liên kết Van der Waals, liên kết điện tích có trong phức chất (polyelectrolyte complexation), .Nhóm thứ hai là hydrogel bền hóa học: Trong đó các chuỗi polymer được liên kết bằng các liên kết cộng hóa trị bền vững có tính chất cơ học tốt như tinh bột với các monomer chứa nhóm vinyl hay acrylic acid, acrylamide, acrylonitrile, polyvinyl alcohol…. Cơ chế khâu mạch hydrogel Hydrogel có thể được phân loại theo nhiều cách tùy thuộc vào các phương pháp tổng hợp. Một trong những phân loại quan trọng là dựa trên bản chất liên kết khâu mạch của chúng.
Đối với hydrogel khâu mạch hóa học, liên kết cộng hóa trị có mặt giữa các chuỗi polymer khác nhau. Do đó, chúng ổn định và không thể hòa tan trong bất kỳ dung môi nào trừ khi các điểm liên kết cộng hóa trị bị phân tách. Đối với hydrogel khâu mạch vật lý, sự hòa tan được ngăn chặn bởi các tương tác vật lý tồn tại giữa các chuỗi polymer 3 khác nhau. Chúng có lợi cho các ứng dụng dược phẩm và y sinh vì không sử dụng các hóa chất khâu mạch.
Việc phân loại chi tiết được trình bày trong Bảng 1. Hydrogel khâu mạch vật lý Tương tác ion (alginate.) Tương tác kỵ nước (PEO-PPO-PEO.) Tương tác do liên kết Hydro (PAAc.) Hình thành stereocomplex (enantiomeric lactic acid.) Hóa học siêu phân tử (dạng phức hợp.) Hydrogel khâu mạch hóa học Phản ứng trùng hợp (nhóm acryloyl.) Bức xạ nhiệt (tia γ.) Khâu mạch tiểu phân tử (glutaraldehyde.) Khâu mạch polymer-polymer (phản ứng trùng ngưng. Hydrogel khâu mạch vật lý và hóa học[1] Hydrogel khâu mạch vật lý: Trong những năm gần đây, việc sử dụng các tác nhân khâu mạch hóa học đang dần được hạn chế và thay thế, nhờ vậy đã có sự quan tâm ngày càng tăng đối với hydrogel khâu mạch vật lý. Phương pháp này liên quan đến việc hình thành các liên kết ngang thông qua các tương tác vật lý.
Quá trình khâu mạch trong loại hydrogel này là do lực hấp dẫn phi hóa trị giữa các mạch polymer, thường là tương tác ion hoặc kỵ nước, nhờ thế mà tạo gel không cần phải sử dụng các hóa chất khâu mạch. Hydrogel khâu mạch hóa học: Mặc dù hydrogel khâu mạch vật lý có những ưu điểm, song, chúng cũng tồn tại những hạn chế làm cản trở tính linh hoạt trong việc phát triển các hydrogel như rất khó để kiểm soát các yếu tố như thời gian tạo gel, kích thước lỗ 4 mạng, chức năng hóa học và thời gian sử dụng. Ngược lại, việc khâu mạch hóa học tạo ra một mạng hydrgel có độ bền cơ học tương đối cao và thời gian sử dụng dài tùy thuộc vào bản chất của các liên kết ngang. Các gel khâu mạch hóa học cũng ổn định về mặt cơ học nhờ liên kết cộng hóa trị trong các gel này.
Hydrogel khâu mạch hóa học thường thu được bằng cách trùng hợp các monomer với sự có mặt của tác nhân liên kết ngang. Tính chất hydrogel Khả năng trương trong nước dưới những điều kiện sinh học khiến hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng sử dụng trong vận chuyển thuốc, cố định protein, peptide cũng như các hợp chất sinh học khác. Do có hàm lượng nước cao nên các gel này giống tế bào sống tự nhiên hơn bất kỳ vật liệu sinh học tổng hợp nào khác [2]. Các mạng lưới này có cấu trúc khâu mạch không tan 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.
Tính chất cơ lý: Đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là chất mang nền gel phải duy trì được tính bền vững cơ học và vật lý, do vậy độ bền cơ học của gel là chỉ tiêu quan trọng khi xây dựng đơn phối liệu. Độ bền của vật liệu có thể tăng cường nhờ bổ sung các tác nhân tạo lưới, copolymer cũng như tăng mức độ khâu mạch. Tuy nhiên, cần xác định một mức độ khâu mạch tối ưu, do mức độ khâu mạch quá cao thì sẽ dẫn đến tính giòn hoặc ít đàn hồi. Tính đàn hồi của gel cũng rất quan trọng để tạo ra độ mềm dẻo của các mạch tạo lưới, thuận lợi cho quá trình di chuyển của các tác nhân có hoạt tính sinh học.
Bởi vậy, việc cân bằng giữa độ vững chắc hệ gel và độ mềm dẻo là cần thiết để sử dụng các vật liệu này một cách phù hợp [3]. Tính chất tương hợp sinh học: Một đặc điểm quan trọng của vật liệu tổng hợp như hydrogel là khả năng thiết kế tạo ra các tương hợp sinh học và không độc để trở thành một polymer y sinh khả dụng. Hầu hết các polymer 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 gel là một phần không thể thiếu nhằm xác định tính phù hợp của gel cho những ứng dụng sinh học [4].
5 Tính chất trương: khả năng trương của một hydrogel có thể được xác định là khoảng không gian bên trong mạng hydrogel có sẵn để chứa nước. Tuy nhiên, nền tảng cơ bản để xác định hydrogel trương bắt đầu với các lực tương tác polymer-nước. Về tổng thể, 3 lực: tương tác polymer-nước, tĩnh điện, và thẩm thấu có tác động làm mở rộng mạng hydrogel. Hydrogel trương, theo định nghĩa, là khả năng hòa tan hạn chế.
Nhìn theo cách khác, độ hòa tan không giới hạn của một hydrogel được ngăn ngừa bằng các lực đàn hồi, có nguồn gốc từ các mạng liên kết chéo. Sự cân bằng của hai lực khác nhau này xác định độ cân bằng trương của hydrogel [4], được thể hiện trong hình 1. Tính chất trương của hydrogel 1. IPNs hydrogel và semi-IPN hydrogel Mạng lưới polymer bán xen kẽ (Semi-IPN) và mạng lưới polymer xen kẽ (IPN) gần đây đang được quan tâm như một vật liệu nghiên cứu cho các ứng dụng y sinh và dược phẩm.
Nguyên nhân là do cấu trúc dạng này có khả năng kết hợp các đặc tính có lợi của từng thành phần polymer trong IPN hoặc Semi-IPN dẫn đến một hệ thống mới với các thuộc tính vượt trội hơn vật liệu thành phần khi xét đơn lẻ [5].2 tóm tắt các hydrogel IPN và semi-IPN gần đây được nghiên cứu cho các ứng dụng kỹ thuật và y sinh. 6 Vật liệu IPN có thể được coi là một dạng polymer blending. IPN được IUPAC định nghĩa là “Một polymer bao gồm hai hoặc nhiều mạng không gian được đặt xen kẽ một phần trên quy mô phân tử nhưng không liên kết cộng hóa trị với nhau và không thể tách rời trừ khi liên kết hóa học bị phá vỡ. Một hỗn hợp gồm hai hoặc nhiều mạng polymer được tạo thành trước không phải là IPN” [4].
Năm 1969, Frisch [6] và Sperling [7] đã phát triển IPN bao gồm hai loại polymer khác nhau một cách độc lập. Theo nghiên cứu của Frish, các hệ thống IPN đã được khám phá và nghiên cứu nhiều lần trong nhiều năm. Năm 1914, Aylsworth đã thiết kế IPN tổng hợp đầu tiên, bao gồm hỗn hợp cao su tự nhiên, lưu huỳnh và một phần nhựa phenol- formaldehyde [8]. Vài năm sau, Staudinger và Hutchinson (1951) và Solt (1955) đã mô tả việc sử dụng các hệ thống IPN, nhưng chỉ trong năm 1960, thuật ngữ “mạng lưới polymer xen kẽ - IPN” mới được Millar đặt ra.
Millar khâu mạng polystyrene và làm trương mẫu này trong các dung dịch styrene và divinyl benzene, sau đó, ông trùng hợp các monomer trong mạng bị trương để tạo thành mạng polystyrene trong một mạng polystyrene khác. Nhờ vào vai trò tiên phong của mình, IPN có cả hai mạng giống hệt nhau trong các thành phần hóa học, vì vậy còn được gọi là Millar IPN [4]. Semi-IPN khác với IPN vì các chuỗi của polymer thứ hai chỉ được phân tán vào mạng polymer thứ nhất mà không tạo thành một mạng xen kẽ khác. Theo IUPAC semi-IPN là “Một loại polymer bao gồm một hoặc nhiều polymer mạch cấu trúc không gian và một hoặc nhiều polymer mạch thẳng hoặc mạch nhánh được đặc trưng bởi sự xâm nhập của polymer mạch thẳng hoặc mạch nhánh vào mạch không gian trên quy mô phân tử”.
Ngoài ra, một lưu ý đã được thêm vào để nhấn mạnh sự khác biệt giữa IPN và bán IPN, rằng “mạng lưới polymer bán xen kẽ được phân biệt với mạng polymer xen kẽ bởi vì về nguyên tắc, các polymer mạch thẳng hoặc phân nhánh có thể được tách ra khỏi (các) mạng polymer cấu thành mà không phá vỡ các liên kết hóa học của chúng” [4]. Trong những năm gần đây, các hệ thống IPN và semi-IPN đã thu hút được sự quan tâm đáng kể nhờ các đặc tính vượt trội của chúng. Nhìn chung, IPN hoặc semi-IPN có thể kế thừa các thuộc tính của các thành phần riêng lẻ của chúng cùng các hiệu ứng đồng 7 vận trong nhiều trường hợp. Do đó, có thể điều chỉnh các đặc tính của vật liệu thu được bằng cách thay đổi các thành phần ban đầu của hệ thống IPN và semi-IPN.
Ngoài ra, các polymer tổng hợp và tự nhiên có thể được kết hợp với nhau, nhờ vậy mà phạm vi của các đặc tính có thể tiếp cận được mở rộng. Một số đặc tính đang được quan tâm lựa chọn có thể kể đến cải thiện tính chất cơ học, độ ổn định nhiệt và kháng hóa chất. Ngoài ra, IPN khác với các loại hỗn hợp polymer khác vì chúng trương lên mà không hòa tan trong dung môi, không bị rão hoặc làm ức chế dòng chảy [9].