Nghiên Cứu Màng Composite Phân Hủy Sinh Học Trên Nền Tinh Bột Chitosan Kết Hợp Nano ZnO

Nghiên cứu tổng hợp màng composite phân hủy sinh học từ tinh bột chitosan và nano ZnO, mở ra hướng đi mới cho vật liệu thân thiện với môi trường.

• Tác giả: Trần Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Duy Hạnh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Màng Composite Phân Hủy Sinh Học Từ Tinh Bột Chitosan Kết Hợp Nano ZnO
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Màng polymer phân hủy sinh học
• 1.2. Khái niệm về vật liệu polymer phân hủy sinh học
• 1.3. Cơ chế phân hủy sinh học
• 1.4. Một số loại polymer phân hủy sinh học
• 1.5. Màng phân hủy sinh học
• 1.6. Tổng quan về polymer blend
• 1.7. Tổng quan về tinh bột
• 1.8. Tính chất hóa học của tinh bột
• 1.9. Tính chất vật lý của tinh bột
• 1.10. Tính chất vật lý
• 1.11. Tính chất hóa học
• 1.12. Ứng dụng của chitosan
• 1.13. Cấu trúc ZnO
• 1.14. Ứng dụng của ZnO
• 1.15. Tổng hợp vật liệu nano ZnO bằng sol-gel
• 1.16. Xu hướng nghiên cứu chế tạo màng polymer phân hủy sinh học
• 1.17. Ứng dụng của màng tinh bột-chitosan trong chữa lành vết thương
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và vật liệu
• 2.2. Tổng hợp vật liệu
• 2.3. Biến tính tinh bột
• 2.4. Tổng hợp nano ZnO
• 2.5. Quy trình tạo màng
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7. Phương pháp đo độ bền kéo của màng
• 2.8. Phương pháp xác định độ ẩm, khả năng hấp thu nước, khả năng hòa tan
• 2.9. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared - FTIR)
• 2.10. Phương pháp phổ hấp thụ (Ultraviolet/Visible Spectroscopy - UV–Vis)
• 2.11. Phương pháp phân tích tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering - DLS)
• 2.12. Phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) và (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy – EDX)
• 2.13. Phương pháp phân tích nhiễu xạ X-ray (X-ray diffraction - XRD)
• 2.14. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (Thermogravimetric Analysis – TGA)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Vật liệu nano ZnO
• 3.2. Kết quả phân tích XRD ZnO
• 3.3. Kết quả phân tích UV-Vis ZnO
• 3.4. Kích thước hạt ZnO bằng FESEM. Phân tích DLS ZnO
• 3.5. Hình ảnh cảm quan của màng
• 3.6. Ảnh hưởng của thời gian khuấy mẫu đến cơ tính của màng
• 3.7. Ảnh hưởng của tỷ lệ TB/CH đến cơ tính của màng
• 3.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ TB/CH đến độ ẩm, độ hấp thu nước và khả năng hòa tan trong nước
• 3.9. Ảnh hưởng của acid citric
• 3.10. Ảnh hưởng của phần trăm hàm lượng ZnO
• 3.11. Ảnh hưởng của phần trăm hàm lượng ZnO đến cơ tính của màng
• 3.12. Ảnh hưởng của phần trăm hàm lượng ZnO đến độ hấp thu màng
• 3.13. Kết quả đo FTIR
• 3.14. Kết quả đo XRD
• 3.15. Kết quả đo SEM và EDX
• 3.16. Kết quả đo TGA
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Màng Composite Phân Hủy Sinh Học Từ Tinh Bột Chitosan Kết Hợp Nano ZnO

Màng composite phân hủy sinh học từ tinh bột chitosan kết hợp với nano ZnO đang trở thành một trong những giải pháp tiên tiến trong lĩnh vực vật liệu sinh học. Những màng này không chỉ có khả năng phân hủy sinh học mà còn mang lại nhiều lợi ích về mặt cơ tính và khả năng kháng khuẩn. Việc nghiên cứu và phát triển các loại màng này có thể giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ nhựa tổng hợp.

1.1. Khái niệm về Màng Composite Phân Hủy Sinh Học

Màng composite phân hủy sinh học là loại màng được tạo ra từ sự kết hợp của các polymer tự nhiên như tinh bột và chitosan, cùng với các chất phụ gia như nano ZnO. Những màng này có khả năng phân hủy tự nhiên trong môi trường, giúp giảm thiểu ô nhiễm.

1.2. Tính chất và Ứng dụng của Màng Composite

Màng composite từ tinh bột chitosan có tính chất cơ học tốt, khả năng kháng khuẩn và chống oxi hóa. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm, y tế và nông nghiệp, mang lại giá trị kinh tế cao.

II. Vấn đề và Thách thức Trong Nghiên Cứu Màng Composite Phân Hủy Sinh Học

Mặc dù màng composite phân hủy sinh học từ tinh bột chitosan kết hợp với nano ZnO có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các vấn đề như độ bền cơ học, khả năng chống nước và chi phí sản xuất cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

2.1. Độ Bền Cơ Học và Khả Năng Chống Nước

Một trong những thách thức lớn nhất là cải thiện độ bền cơ học của màng composite. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp nano ZnO có thể giúp tăng cường tính chất này, nhưng vẫn cần tối ưu hóa tỷ lệ các thành phần.

2.2. Chi Phí Sản Xuất và Tính Khả Thi

Chi phí sản xuất màng composite vẫn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng thương mại hóa. Cần có các nghiên cứu để tìm ra phương pháp sản xuất hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Màng Composite Phân Hủy Sinh Học

Để tổng hợp màng composite phân hủy sinh học từ tinh bột chitosan kết hợp với nano ZnO, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm tổng hợp nano ZnO, khảo sát tính chất cơ lý của màng và phân tích cấu trúc.

3.1. Tổng Hợp Nano ZnO Bằng Phương Pháp Sol Gel

Phương pháp sol-gel được sử dụng để tổng hợp nano ZnO từ kẽm acetate. Quá trình này giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và tính chất ổn định.

3.2. Khảo Sát Tính Chất Cơ Lý Của Màng Composite

Các tính chất cơ lý của màng composite được khảo sát thông qua các phương pháp như đo độ bền kéo, độ giãn dài và khả năng hấp thu nước. Những thông số này giúp đánh giá hiệu quả của màng trong ứng dụng thực tiễn.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Màng Composite Phân Hủy Sinh Học

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng composite phân hủy sinh học từ tinh bột chitosan kết hợp với nano ZnO có nhiều ưu điểm vượt trội. Các chỉ tiêu như độ bền kéo, độ giãn dài và khả năng kháng khuẩn đều đạt yêu cầu cao.

4.1. Đánh Giá Độ Bền Cơ Học Của Màng

Màng composite đạt độ bền kéo tối ưu khi tỷ lệ tinh bột/chitosan là 1.5/1. Kết quả này cho thấy sự tương tác giữa các thành phần trong màng là rất quan trọng.

4.2. Khả Năng Kháng Khuẩn Của Màng Composite

Màng composite cho thấy khả năng kháng khuẩn tốt nhờ sự hiện diện của nano ZnO. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực y tế và bảo quản thực phẩm.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Màng Composite Phân Hủy Sinh Học

Màng composite phân hủy sinh học từ tinh bột chitosan kết hợp với nano ZnO không chỉ có tiềm năng lớn trong ứng dụng mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu sinh học.

5.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp kiến thức mới về màng composite mà còn khẳng định vai trò của vật liệu sinh học trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính chất của màng composite, đồng thời tìm kiếm các ứng dụng mới trong lĩnh vực y tế và công nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng ô nhiễm môi trường từ các loại nhựa tổng hợp gốc dầu mỏ khó phân hủy đang thúc đẩy nhu cầu cấp thiết về việc phát triển các vật liệu polymer phân hủy sinh học thân thiện với môi trường. Trong lĩnh vực y sinh và điều trị vết thương, việc tìm kiếm các vật liệu màng băng vết thương có khả năng phân hủy sinh học, tương thích mô, kháng khuẩn và hỗ trợ quá trình phục hồi tế bào là một định hướng nghiên cứu quan trọng. Các polymer tự nhiên như tinh bột và chitosan sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội bao gồm trữ lượng dồi dào, giá thành hợp lý, không gây độc và có khả năng tương thích sinh học cao.

Chitosan là dẫn xuất deacetyl hóa của chitin, mang điện tích dương và có hoạt tính kháng khuẩn tự nhiên, tuy nhiên vật liệu này tồn tại nhược điểm là độ bền cơ học chưa cao, khả năng chống nước và hấp thu nước còn hạn chế. Trong khi đó, tinh bột là một polysaccharide có khả năng tạo màng tốt, dễ phân hủy sinh học nhưng lại có độ hòa tan trong nước quá lớn, khiến màng đơn cấu tử khó đáp ứng yêu cầu duy trì cơ tính khi tiếp xúc với dịch tiết vết thương. Việc phối trộn polymer blend giữa chitosan và tinh bột giúp cải thiện các nhược điểm đơn lẻ, song màng composite vẫn đối mặt với nguy cơ nhiễm khuẩn từ môi trường bên ngoài khi ứng dụng thực tế. Nhằm giải quyết vấn đề này, việc kết hợp thêm các hạt nano oxit kim loại vô cơ, đặc biệt là nano kẽm oxit (ZnO) – một vật liệu bán dẫn có khả năng kháng khuẩn mạnh khi kích thước hạt dưới 100 nm mà không gây hại cho tế bào lành – cùng với acid citric làm chất phụ gia hóa dẻo và chống oxy hóa, được xem là giải pháp khả thi để nâng cao cơ tính và độ bền sinh học của màng.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là tổng hợp thành công màng composite phân hủy sinh học trên nền tinh bột - chitosan kết hợp với nano ZnO và acid citric, hướng tới ứng dụng làm màng kháng khuẩn hỗ trợ điều trị vết thương. Để đạt được mục tiêu này, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định như sau:

1. Tổng quan tài liệu về tinh bột, chitosan, cơ chế phân hủy sinh học, polymer blend và vai trò của nano ZnO trong hệ màng phân hủy sinh học.
2. Tổng hợp vật liệu nano ZnO từ tiền chất kẽm acetate bằng phương pháp sol-gel.
3. Phân tích cấu trúc, hình thái học và kích thước hạt của vật liệu nano ZnO thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis), tán xạ ánh sáng động (DLS) và kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM).
4. Biến tính tinh bột sắn bằng phương pháp điện hóa và tiến hành chế tạo màng composite tinh bột - chitosan bằng kỹ thuật đổ khuôn (solution casting).
5. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ (thời gian khuấy, tỷ lệ tinh bột/chitosan, hàm lượng acid citric và hàm lượng nano ZnO) đến cơ tính (độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt), độ ẩm, độ hấp thu nước, độ hòa tan trong nước, cũng như cấu trúc và độ bền nhiệt của màng thông qua các phương pháp đo kéo ASTM D882, FTIR, SEM-EDX, XRD và TGA.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận bao gồm polymer tự nhiên (tinh bột sắn Việt Nam, chitosan Canada có độ deacetyl hóa 90%), phụ gia acid citric, tiền chất kẽm acetate và vật liệu nano ZnO tạo thành. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại các phòng thí nghiệm thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và Khu Công nghệ cao Quận 9, trong khoảng thời gian từ tháng 3/2021 đến tháng 12/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài xây dựng trên các nguyên lý khoa học vật liệu polymer và công nghệ hóa học:

• Cơ chế phân hủy sinh học của polymer: Quá trình phân hủy sinh học diễn ra qua 3 giai đoạn kế tiếp gồm phản xạ sinh học (biodeterioration - biến đổi cơ lý hóa bề mặt do tác nhân phi sinh học), phản ứng sinh học (biofragmentation - sự phân cắt mạch polymer thành monomer/oligomer dưới tác dụng của enzyme vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí) và đồng hóa (assimilation - tích hợp sản phẩm vào sinh khối vi sinh vật, giải phóng CO2 và nước).
• Lý thuyết polymer blend và tương tác liên kết: Nghiên cứu dựa trên cơ chế tương tác tĩnh điện và liên kết hydro giữa các nhóm chức tích điện dương amin ($-\text{NH}_3^+$) của mạch chitosan với các nhóm hydroxyl ($-\text{OH}$) của tinh bột sắn, kết hợp khả năng tạo liên kết chéo este hóa với các nhóm carboxyl ($-\text{COOH}$) của acid citric.
• Cấu trúc và tính chất bán dẫn của ZnO: Vật liệu nano ZnO là chất bán dẫn loại n có độ rộng vùng cấm thẳng $E_g = 3{,}37\text{ eV}$, năng lượng liên kết exciton đạt 60 meV ở nhiệt độ phòng, tồn tại ở cấu trúc tinh thể mạng lục phương hexagonal wurtzite mang hoạt tính kháng khuẩn và hấp thụ bức xạ tử ngoại.

Khóa luận sử dụng các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích hóa lý sau:

Nhóm phương pháp	Kỹ thuật / Thiết bị cụ thể	Mục đích phân tích
Tổng hợp vật liệu	Phương pháp sol-gel (tiền chất $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ và NaOH)	Tổng hợp các hạt nano ZnO ở nhiệt độ nung $180^\circ\text{C}$
Biến tính polymer	Phương pháp điện hóa (hệ điện cực Titan mạ $\text{RuO}_2$, $\text{IrO}_2$, $\text{TiO}_2$; dung dịch $\text{NaCl}$ 5%)	Biến tính tinh bột sắn ở hiệu điện thế 6V, dòng điện 3A trong 1 giờ
Chế tạo màng	Phương pháp cán tráng/đổ khuôn dung dịch (solution casting)	Phối trộn chitosan trong acid acetic 2%, tinh bột hồ hóa, acid citric, nano ZnO
Đánh giá cơ lý màng	Máy đo cơ tính MT350-10CT (tiêu chuẩn ASTM D882)	Xác định độ bền kéo đứt ($\sigma$) và độ giãn dài khi đứt ($%E$) ở tốc độ kéo 10 mm/phút
Tính chất hóa lý màng	Phương pháp khối lượng sấy khô $105^\circ\text{C}$ và ngâm nước	Xác định độ ẩm (MC), độ hấp thu nước (WU), khả năng hòa tan trong nước (WS)
Đặc trưng cấu trúc hạt	Phổ UV-Vis UH5300 Hitachi; XRD Empyrean Malvern Panalytical	Xác định bước sóng hấp thụ cực đại và cấu trúc pha tinh thể ZnO
Đặc trưng kích thước hạt	DLS Zetasizer Pro Malvern; FESEM S-4800 Hitachi	Xác định kích thước hạt trong chuyển động Brown và hình thái vi cấu trúc nano
Phân tích bề mặt và pha	SEM TM4000Plus Hitachi kết hợp phổ tán sắc năng lượng EDX Bruker	Khảo sát hình thái học bề mặt màng và sự phân bố định tính/định lượng nguyên tố Zn
Phân tích phổ hồng ngoại	Phổ FTIR Jasco FT/IR 4600 (đầu dò ATR, độ phân giải $4\text{ cm}^{-1}$, dải $4000 - 400\text{ cm}^{-1}$)	Xác định các nhóm chức hóa học và sự chuyển dịch liên kết hydro/este giữa các cấu tử
Độ bền nhiệt	Nhiệt khối lượng TGA Labsys evo (dải $0 - 900^\circ\text{C}$, tốc độ quét $10^\circ\text{C}/\text{phút}$, khí trơ $\text{N}_2$)	Đánh giá độ ổn định nhiệt và các giai đoạn phân hủy khối lượng của màng composite

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu hoàn toàn là dữ liệu sơ cấp thu nhận từ các đợt đo đạc thực nghiệm, được xử lý và phân tích thông qua các phần mềm khoa học chuyên dụng gồm Microsoft Excel, Origin và Image J.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về polymer phân hủy sinh học, bao gồm khái niệm theo tiêu chuẩn ASTM và ba giai đoạn phân hủy sinh học (phản xạ sinh học, phản ứng sinh học và đồng hóa). Tác giả phân loại các polymer tự nhiên và tổng hợp có khả năng phân hủy như PLA, PHA, cellulose, chitin/chitosan và tinh bột. Về mặt hóa học, tinh bột được cấu tạo từ amylose (mạch thẳng, liên kết $\alpha$-1,4-glucoside) và amylopectin (phân nhánh, liên kết $\alpha$-1,6-glucoside); chương này trình bày các phản ứng thủy phân acid, phản ứng tạo phức màu với iode, cùng khoảng nhiệt độ hồ hóa đặc trưng của các loại tinh bột tự nhiên (tinh bột sắn từ $52 - 59^\circ\text{C}$, ngô $62 - 73^\circ\text{C}$, lúa mì $59 - 62^\circ\text{C}$).

Về chitosan, chương tổng quan làm rõ cấu trúc mắt xích D-glucosamine gắn liên kết $\beta$-(1,4)-glucoside với giá trị $\text{p}K_a \approx 6$, giải thích khả năng hòa tan trong các acid hữu cơ loãng tạo dung dịch keo cation. Phụ gia acid citric được trình bày như một tác nhân chống oxy hóa và kháng khuẩn an toàn được FDA công nhận, sở hữu 3 nhóm carboxyl có khả năng hình thành liên kết hydro hoặc este hóa nhằm hạn chế sự thoái hóa của tinh bột. Về pha vô cơ, cấu trúc tinh thể lục phương wurtzite của nano ZnO được mô tả chi tiết cùng cơ chế tổng hợp ướt sol-gel dựa trên phản ứng thủy phân và ngưng tụ. Phần cuối chương điểm luận các công trình nghiên cứu tiêu biểu trong và ngoài nước về màng phân hủy sinh học (nghiên cứu màng tinh bột sắn/PVA của Nguyễn Thị Thùy Trang, màng bảo quản cá thác lác của Lê Thị Minh Thủy, màng chitosan/carrageenan của Shahbazi Rajabzadeh, và màng chitosan gắn nano ZnO của Ruchir Priyadarshi), từ đó chỉ rõ cơ sở lựa chọn hệ composite tinh bột - chitosan kết hợp nano ZnO cho mục tiêu hỗ trợ chữa lành vết thương.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất, các quy trình chế bị mẫu và phương pháp đo kiểm.

1. Biến tính tinh bột sắn: 400 g tinh bột sắn được phân tán trong 4 L dung dịch $\text{NaCl}$ 5% (w/v), đặt hai điện cực Titan mạ $\text{RuO}_2, \text{IrO}_2, \text{TiO}_2$ cách nhau 10 cm, sử dụng nguồn xoay chiều 6V - 3A điện phân trong 1 giờ ở $30^\circ\text{C}$. Huyền phù được trung hòa về $\text{pH} = 7$ bằng $\text{HCl}$ 1M, rửa nước cất kiểm tra ion $\text{Cl}^-$ bằng $\text{AgNO}_3$ 0,05N, sau đó sấy ở $55^\circ\text{C}$ trong 10 giờ.
2. Tổng hợp nano ZnO bằng phương pháp sol-gel: Hòa tan muối kẽm acetate khử nước $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2\cdot 2\text{H}_2\text{O}$ trong nước cất, nhỏ từ từ 5 mL dung dịch $\text{NaOH}$ 20M, gia nhiệt khuấy ở $50 - 60^\circ\text{C}$ trong 30 phút thu kết tủa $\text{Zn(OH)}_2$. Kết tủa được ly tâm 8000 vòng/phút (10 phút) kết hợp siêu âm 3 lần, sấy khô phần rắn ở $80^\circ\text{C}$ trong 3 giờ, sau đó nung trong lò Nabertherm ở $180^\circ\text{C}$ với tốc độ nâng nhiệt $7^\circ\text{C}/\text{phút}$, lưu nhiệt 1 giờ để chuyển hóa hoàn toàn thành nano ZnO.
3. Chế tạo màng composite: Chitosan được hòa tan trong acid acetic 2% ở nhiệt độ $40 - 50^\circ\text{C}$. Trộn đồng thời tinh bột đã hồ hóa (với 30 mL nước cất), acid citric và hạt nano ZnO vào dung dịch chitosan, khuấy hỗn hợp trong 8 giờ ở $55^\circ\text{C}$. Rót 20 g hỗn hợp lỏng đồng nhất vào đĩa petri nhựa, loại bỏ bọt khí và sấy ở $55^\circ\text{C}$ qua đêm.

Ma trận thực nghiệm khảo sát các tỷ lệ phối trộn được tác giả thiết lập theo các bảng sau:

Tỷ lệ thành phần TB/CH	Khối lượng tinh bột (g)	Khối lượng chitosan (g)	Thể tích dung dịch acid acetic 2% (mL)	Tổng khối lượng (g)
1/2	1	2	100	3
1/1.5	1	1,5	75	2,5
1/1	1	1	50	2
1.5/1	1,5	1	50	2,5
2/1	2	1	50	3
3/1	3	1	50	4

Các tỷ lệ phụ gia được nghiên cứu gồm: hàm lượng acid citric khảo sát ở các mức 0%, 2,5%, 5% và 10% tính trên tổng khối lượng polymer; hàm lượng nano ZnO khảo sát ở các nồng độ 0%, 0,5%, 1%, 1,5%, 2% và 3% so với khối lượng nền polymer. Chương 2 cũng quy chuẩn hóa các công thức tính cơ lý: độ bền kéo $\sigma = F/A$ (với $A$ là tiết diện ban đầu), độ giãn dài khi đứt $%E = (\Delta L / L_0) \times 100%$, cùng các công thức xác định độ ẩm ($MC$), độ hấp thu nước ($WU$), và độ hòa tan ($WS$) thông qua hệ 3 mốc khối lượng sấy khô $105^\circ\text{C}$ ($W_0, W_1, W_2, W_3$).

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 tập trung công bố và biện luận các dữ liệu phân tích hóa lý thu được từ vật liệu nano ZnO và các màng composite:

• Đặc trưng nano ZnO: Giản đồ XRD của ZnO tổng hợp thể hiện đầy đủ các đỉnh nhiễu xạ sắc nét đặc trưng cho pha hexagonal wurtzite tại các góc quét $2\theta$ gồm: $31{,}8^\circ$ (100), $34{,}4^\circ$ (002), $36{,}3^\circ$ (101), $47{,}5^\circ$ (102), $56{,}6^\circ$ (110), $62{,}9^\circ$ (103), $67{,}9^\circ$ (112) và $69{,}1^\circ$ (201). Cường độ đỉnh cao chứng minh độ tinh thể hóa tốt, không phát hiện pha tạp. Áp dụng phương trình Debye-Scherrer ($D = \frac{0{,}9\lambda}{\beta \cos\theta}$), kích thước tinh thể trung bình của ZnO được xác định xấp xỉ 28 nm. Phổ hấp thụ UV-Vis cho đỉnh nhọn cực đại tại bước sóng 375 nm, tương đồng với các công bố chuẩn về hạt ZnO nano. Ảnh chụp FESEM ghi nhận các hạt nano có kích thước nằm trong khoảng từ 22 nm đến 142 nm.

Góc nhiễu xạ $2\theta$ (độ)	Độ rộng peak $\beta$ (rad)	Kích thước tinh thể $D$ (nm)
31,77	0,00492	29,86
34,42	0,00490	30,19
36,25	0,00569	26,17
47,54	0,00543	28,63
56,60	0,00649	25,05
62,86	0,00539	31,34
67,95	0,00599	29,32
69,10	0,00618	28,71

• Khảo sát cơ lý màng composite: Thời gian khuấy dung dịch tạo màng được khảo sát từ 4 đến 10 giờ; màng đạt độ phân tán tốt sau 8 giờ khuấy ở $55^\circ\text{C}$. Khảo sát tỷ lệ tinh bột/chitosan cho thấy cơ tính màng đạt giá trị cực đại ở tỷ lệ phối trộn 1,5 TB / 1 CH (độ bền kéo đạt mức cao nhất do tương tác tĩnh điện và liên kết hydro giữa $-\text{NH}_3^+$ của chitosan và $-\text{OH}$ của tinh bột đạt độ bão hòa liên kết tối ưu). Khi hàm lượng tinh bột tăng cao hơn (tỷ lệ 2/1 và 3/1), độ bền kéo suy giảm do hiện tượng tự liên kết của tinh bột gây phân tách pha. Khi khảo sát độ hấp thu nước, hàm lượng tinh bột tăng làm độ hấp thu nước ban đầu giảm sau đó tăng trở lại; tuy nhiên độ hòa tan trong nước của màng vẫn ở mức cao (vượt trên 80%).
• Ảnh hưởng của phụ gia acid citric và nano ZnO: Bổ sung acid citric làm biến đổi cơ tính và tăng khả năng chống oxy hóa, với tỷ lệ tối ưu được lựa chọn là 10% CA. Khi đưa hạt nano ZnO vào hệ nền (1,5 TB / 1 CH / 10% CA) với nồng độ từ 0% đến 3%, độ bền kéo của màng tăng dần và đạt giá trị cao nhất tại vùng nồng độ $2% - 3%$ ZnO, đồng thời độ hấp thu nước của màng giảm rõ rệt nhờ các hạt nano chèn vào mạng lưới polymer, cản trở sự khuếch tán của các phân tử nước.
• Phân tích phổ FTIR, XRD, SEM-EDX và TGA: Phổ FTIR ghi nhận sự dịch chuyển vị trí các peak hấp thụ và xuất hiện các dải liên kết mới chứng minh tương tác hóa lý giữa chitosan, tinh bột và acid citric. Giản đồ XRD của màng xác nhận tính vô định hình của nền blend kết hợp với các đỉnh tinh thể của ZnO. Ảnh chụp SEM và bản đồ nguyên tố EDX minh chứng các hạt ZnO phân bố trên bề mặt màng, tuy nhiên vẫn còn hiện tượng kết cụm cục bộ khi nồng độ hạt tăng. Phân tích TGA mẫu màng 0% ZnO và 2% ZnO chỉ ra quá trình phân hủy nhiệt diễn ra qua các giai đoạn mất ẩm (dưới $120^\circ\text{C}$), phân hủy mạch polymer ($200 - 450^\circ\text{C}$) và tro hóa vô cơ, trong đó mẫu chứa 2% ZnO có độ bền nhiệt và lượng tro dư cao hơn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể:

1. Tổng hợp thành công vật liệu nano ZnO bằng phương pháp sol-gel nhiệt độ thấp (nung ở $180^\circ\text{C}$), thu được hạt có cấu trúc mạng hexagonal wurtzite tinh khiết với kích thước tinh thể trung bình xấp xỉ 28 nm (tính theo công thức Scherrer từ phổ XRD), đỉnh hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 375 nm, và dải kích thước hạt quan sát qua FESEM đạt từ 22 nm đến 142 nm.
2. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình chế tạo màng composite phân hủy sinh học trên nền tinh bột sắn biến tính điện hóa và chitosan, xác định được tỷ lệ phối trộn tối ưu về mặt cơ lý là 1,5 tinh bột / 1 chitosan kết hợp 10% acid citric (1,5 TB / 1 CH / 10% CA).
3. Chứng minh việc kết hợp hạt nano ZnO (tỷ lệ từ 0,5% đến 3%) vào nền polymer blend TB/CH/CA làm tăng cường độ bền kéo đứt và giảm đáng kể độ hấp thu nước của màng, cải thiện độ ổn định nhiệt trên giản đồ TGA.

Về mặt đóng góp khoa học và thực tiễn, tác giả đã phát triển một quy trình tổng hợp vật liệu composite đa cấu tử sử dụng hoàn toàn các nguồn polymer tự nhiên có thể tái tạo (tinh bột sắn nội địa và dẫn xuất chitosan giáp xác), kết hợp phụ gia xanh acid citric và hạt nano oxit bán dẫn ZnO. Việc áp dụng thành công phương pháp biến tính tinh bột bằng kỹ thuật điện hóa sử dụng điện cực mạ oxit kim loại trơ thay cho các hóa chất oxy hóa độc hại là một điểm mới về mặt công nghệ chế bị nguyên liệu trong nước. Hệ vật liệu màng composite thu được cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho định hướng ứng dụng làm màng bao bọc y sinh hỗ trợ chữa lành vết thương và vật liệu bao gói tự phân hủy sinh học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế được tác giả, giảng viên hướng dẫn (TS. Lê Thị Duy Hạnh) và giảng viên phản biện (TS. Giang Ngọc Hà) thẳng thắn chỉ rõ trong văn bản đánh giá:

• Chưa thực hiện được các phép thử nghiệm sinh học về khả năng kháng khuẩn thực tế của màng (in vitro) đối với các chủng vi khuẩn chỉ thị, do ảnh hưởng của việc phòng thí nghiệm phải đóng cửa trong thời gian dài vì dịch bệnh bùng phát.
• Khóa luận chưa đưa ra biện luận cơ chế thỏa đáng về ảnh hưởng của acid citric đến độ bền kéo của màng ở trạng thái có và không có acid citric. Việc phân tích phổ FTIR chưa đủ cơ sở vững chắc để khẳng định đỉnh hấp thụ tại số sóng $1721\text{ cm}^{-1}$ là liên kết este $\text{C=O}$ mới sinh hay là đỉnh dư của chính acid citric tự do (vốn có hai đỉnh hấp thụ rất mạnh tại $1746\text{ cm}^{-1}$ và $1716\text{ cm}^{-1}$).
• Độ hòa tan trong nước của màng composite thành phẩm còn quá lớn (vượt mức 80%), cho thấy khả năng kháng nước kém khi tiếp xúc với môi trường ẩm ướt kéo dài.
• Sự phân tán của các hạt nano ZnO vào nền polymer còn gặp khó khăn, chưa kiểm soát được triệt để hiện tượng lắng và kết tụ hạt ở quy mô nano; kết quả phổ EDX còn ghi nhận sự xuất hiện của nguyên tố tạp (như Canxi) trên bề mặt màng chưa được giải trình rõ. Ngoài ra, việc tăng thời gian khuấy chưa thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về cơ tính.

Hướng mở nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

1. Bổ sung các thử nghiệm đánh giá hoạt tính kháng khuẩn định lượng (phương pháp khuếch tán đĩa thạch hoặc đếm khuẩn lạc) trên các chủng vi khuẩn gram âm và gram dương để hoàn thiện mục tiêu y sinh.
2. Tối ưu hóa kỹ thuật phân tán hạt nano ZnO (sử dụng sóng siêu âm công suất cao kết hợp chất phân tán tương thích sinh học) nhằm đảm bảo kích thước hạt phân bố đồng đều, không bị kết tụ.
3. Nghiên cứu bổ sung các tác nhân khâu mạng an toàn hoặc xử lý nhiệt sau tạo màng nhằm kéo giảm độ hòa tan trong nước ($WS$) xuống dưới mức yêu cầu của màng y tế bao vết thương.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu, Kỹ thuật Polymer - Composite, Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Y sinh.
• Các nhà nghiên cứu đang phát triển màng bao bọc thực phẩm tự hủy hoặc vật liệu màng dán điều trị vết thương từ nguồn phụ phẩm nông - thủy sản.

Các phần có giá trị thực tiễn cao bao gồm:

• Quy trình tổng hợp nano ZnO sol-gel ở nhiệt độ nung thấp ($180^\circ\text{C}$) với chi phí hóa chất rẻ và thiết bị phổ thông.
• Thông số kỹ thuật của phương pháp biến tính tinh bột sắn bằng công nghệ điện phân màng điện cực trơ ($\text{RuO}_2, \text{IrO}_2, \text{TiO}_2$).
• Phương pháp phối hợp đa kỹ thuật phân tích hiện đại (XRD, FESEM, EDX, DLS, FTIR, TGA) để xác định tính chất cơ lý và hình thái cấu trúc của vật liệu polymer blend gia cường hạt nano.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hạt nano ZnO tổng hợp bằng phương pháp sol-gel trong khóa luận đạt bao nhiêu nanomet?
Hạt nano ZnO tổng hợp từ tiền chất kẽm acetate nung ở $180^\circ\text{C}$ có kích thước tinh thể trung bình tính theo phương trình Scherrer từ giản đồ XRD là xấp xỉ 28 nm. Phổ hấp thụ UV-Vis cho đỉnh cực đại đặc trưng tại 375 nm, và kích thước quan sát thực tế qua ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM dao động trong khoảng từ 22 nm đến 142 nm.

2. Tỷ lệ phối trộn tinh bột và chitosan nào cho độ bền cơ học tối ưu?
Màng đạt cơ tính kéo đứt lớn nhất ở tỷ lệ phối trộn 1,5 phần tinh bột / 1 phần chitosan (1,5 TB / 1 CH). Kết quả này đạt được là nhờ mật độ hình thành liên kết hydro và tương tác tĩnh điện giữa các nhóm cation $-\text{NH}_3^+$ của phân tử chitosan và các nhóm anion/hydroxyl $-\text{OH}$ của tinh bột đạt trạng thái tương hợp tốt nhất.

3. Quy trình biến tính tinh bột sắn bằng phương pháp điện hóa được tiến hành trong điều kiện kỹ thuật nào?
Quá trình biến tính sử dụng 400 g tinh bột sắn phân tán trong 4 L dung dịch $\text{NaCl}$ 5,0% (w/v). Hệ sử dụng hai điện cực Titan phủ lớp chống ăn mòn $\text{RuO}_2, \text{IrO}_2, \text{TiO}_2$ đặt cách nhau 10 cm, chạy dòng điện xoay chiều có hiệu điện thế 6V và cường độ 3A trong thời gian 1 giờ ở nhiệt độ $30^\circ\text{C}$ kết hợp khuấy nhẹ, sau đó trung hòa về $\text{pH} = 7$ bằng dung dịch $\text{HCl}$ 1M và sấy khô ở $55^\circ\text{C}$ trong 10 giờ.

4. Tại sao khóa luận chưa công bố kết quả về khả năng diệt khuẩn dù đây là mục tiêu chính hướng tới màng trị vết thương?
Do thời gian thực hiện đề tài trùng với đợt bùng phát dịch bệnh, các phòng thí nghiệm phải đóng cửa trong thời gian dài khiến sinh viên không thể triển khai các phép đo sinh học về hoạt tính kháng khuẩn của màng với vi sinh vật sống; đây là thiếu sót thực nghiệm đã được người hướng dẫn và hội đồng ghi nhận trong biên bản đánh giá.

5. Khuyết điểm lớn nhất về tính chất lý hóa của màng mỏng composite thu được là gì?
Khuyết điểm lớn nhất của màng là khả năng hòa tan trong nước còn quá cao, đạt trên 80% sau 24 giờ ngâm ngập, khiến màng nhanh chóng bị trương rã khi tiếp xúc với môi trường nước, chưa đáp ứng được độ bền ẩm lâu dài nếu ứng dụng làm băng gạc vết thương hở có nhiều dịch tiết.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Thu Trang đã tổng hợp thành công vật liệu nano ZnO cấu trúc wurtzite tinh khiết có kích thước tinh thể trung bình 28 nm bằng phương pháp sol-gel nhiệt độ thấp và chế tạo màng composite phân hủy sinh học trên nền tinh bột sắn biến tính điện hóa kết hợp chitosan. Kết quả thực nghiệm đã xác lập được tỷ lệ phối trộn tối ưu là 1,5 tinh bột / 1 chitosan kết hợp 10% acid citric và bổ sung từ 0,5% đến 3% nano ZnO giúp tăng cường độ bền kéo đứt, độ ổn định nhiệt và giảm độ hấp thu nước của màng. Dù còn hạn chế về độ hòa tan trong nước cao và chưa kịp thử nghiệm kháng khuẩn thực tế do gián đoạn dịch bệnh, công trình đã xây dựng được quy trình công nghệ bài bản và cung cấp hệ thống số liệu phân tích hóa lý tin cậy cho định hướng phát triển vật liệu y sinh tự phân hủy tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Màng polymer phân hủy sinh học 1. Khái niệm về vật liệu polymer phân hủy sinh học [5] Theo định nghĩa của ASTM (American Society for Testing and Materials) phân hủy sinh học là khả năng xảy ra phân hủy CO2, khí methane, nước, các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối, trong đó cơ chế áp đảo là tác động của enzyme của vi sinh vật đo được bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh được điều kiện phân hủy. Phân hủy sinh học là phân hủy do hoạt động của vi sinh vật gây ra, đặc biệt do hoạt động của enzyme dẫn đến thay đổi lớn về cấu trúc hóa học và vật liệu.

Polymer phân hủy sinh học cần phân hủy rõ ràng trong thời gian ấn định thành những phân tử đơn giản có trong môi trường như CO2 và nước. Tốc độ phân hủy sinh học phụ thuộc nhiều vào độ dày và hình học của sản phẩm. Tốc độ phân hủy nhanh thường xảy ra với màng mỏng. Cơ chế phân hủy sinh học [6] Quá trình phân hủy sinh học thường được chia thành ba giai đoạn: phản xạ sinh học, phản ứng sinh học và đồng hóa.

Phản xạ sinh học là sự xuống cấp ở bề mặt làm thay đổi các tính chất cơ học, vật lý và hóa học của vật liệu. Giai đoạn này xảy ra khi vật liệu tiếp xúc với các yếu tố phi sinh học trong môi trường ngoài trời và cho phép xuống cấp hơn nữa bằng cách làm suy yếu cấu trúc của vật liệu. Một số yếu tố phi sinh học ảnh hưởng đến những thay đổi ban đầu này là nén (cơ học), ánh sáng, nhiệt độ và hóa chất trong môi trường. Mặc dù phản xạ sinh học thường xảy ra như là giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy sinh học, nhưng trong một số trường hợp, nó có thể song song với phản ứng sinh học.

Phản ứng sinh học hay còn gọi là phản ứng phân rã của polymer là quá trình phân ly. Trong đó các liên kết của polymer bị phân cắt thành các đơn phân tử (monomer) hoặc các đa phân tử tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn (oligomer) khi tương tác với enzyme từ vi sinh vật. Phản ứng sinh học xảy ra khi có sự tác động của vi sinh vật trong 1 điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. Điểm giống nhau của hai loại phản ứng này là kết thúc quá trình phân huỷ đều tạo ra: CO2, nước và sinh khối (vi sinh vật).

Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa chúng như sau: môi trường phản ứng hiếu khí giàu oxi trong khi phản ứng kỵ khí ít hoặc không có oxi. Tốc độ phản ứng hiếu khí nhanh hơn kỵ khí và không tạo ra khí methane. Hiệu quả làm giảm khối lượng vật liệu của phản ứng hiếu khí không cao bằng phản ứng kỵ khí. Đồng hóa là quá trình các sản phẩm thu được từ phản ứng sinh học sau đó được tích hợp vào các tế bào vi sinh vật.

Một số loại polymer phân hủy sinh học [7] Dựa vào nguyên liệu cấu thành polymer phân huỷ sinh học có thể được phân loại thành hai loại bao gồm nguồn gốc từ nguyên liệu dầu mỏ và nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo. Trong đó, loại polymer có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo được đánh giá cao hơn rất nhiều về tính thân thiện với môi trường. Polylactic acid Polylactic acid (PLA) có thành phần chủ yếu là acid lactic có nguồn gốc từ tinh bột tự nhiên (chủ yếu là tinh bột ngô) hoặc từ đường. Đây là nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo sẽ giúp giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt.

Đặc biệt, trong điều kiện ủ thích hợp, PLA có thể phân huỷ hoàn toàn thành CO2, H2O và sinh khối chỉ trong khoảng 3  6 tháng. PLA tương tự như polyethylene terephtalate (PET) nên có đặc tính cứng, độ đàn hồi cao, độ bền lớn. Chúng thường được ứng dụng để sản xuất các vật liệu như: dao, thìa, dĩa, khay, hộp đựng. Polyhydroxyalkanoates Polyhydroxyalkanoate (PHA) là loại polymer phân huỷ sinh học được sản xuất tự nhiên nhờ vi khuẩn và các mô thực vật biến đổi gen.

Trong môi trường thích hợp, PHA cũng phân huỷ hoàn toàn thành CO2, H2O và sinh khối trong thời gian ngắn. Về ứng dụng, hiện nay PHA thường được dùng để đóng gói thực phẩm, làm cốc, đĩa và các sản phẩm như: chỉ khâu, gạc, vỏ thuốc trong lĩnh vực y tế. Tuy nhiên, do chi phí sản 2 xuất cao và quá trình nuôi cấy vi khuẩn khá phức tạp nên hiện nay sản phẩm làm từ PHA chưa phổ biến. Polysaccharide Nhóm polysaccharide thường được ứng dụng để sản xuất nhựa polymer phân huỷ sinh học là cellulose và tinh bột.

Ngoài ra, các polysaccharide này cũng thường được dùng trộn chung với các polymer phân hủy sinh học để tạo ra các sản phẩm có tính phân hủy cao, thân thiện với môi trường hơn. Ngoài hai loại này thì một số loại khác thuộc nhóm polysaccharide cũng được khai thác ít phổ biến hơn. Cellulose Celulose là một loại polysaccharide có nguồn gốc từ thực vật. Cellulose là nguyên liệu để có thể chế tạo ra cenllulose acetate.

Đây là loại polymer thường được dùng để sản xuất vải sợi, hộp đựng thuốc lá, gọng kính, khung gầm các loại xe ô tô. Cenllulose acetate có đặc tính là rất khó hoà tan trong tất cả các dung môi hữu cơ. Chúng chỉ bị phân huỷ khi thực hiện phản ứng thuỷ phân dưới sự tác động của ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và enzyme tiết ra trong nấm và vi khuẩn. Chitin/Chitosan Chitin/Chitosan: là loại polymer kỵ nước nguồn gốc từ động vật (vỏ tôm, cua, vỏ sò), có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, chống oxy hóa và tạo màng tốt.

Chitin thường được tìm thấy trong vỏ tôm, cua, bò sát và côn trùng. Chitin là nguyên liệu để sản xuất ra chitosan. Loại này được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày (túi, mực in…) cũng như trong y khoa (chỉ khâu phẫu thuật, mô cấy ghép…). Tuy nhiên, cũng như PHA, giá thành của chitosan hiện nay vẫn còn cao.

Màng phân hủy sinh học Màng phân hủy sinh học được chế tạo từ các polymer phân hủy sinh học hay sự trộn hợp của các polymer phân hủy sinh học như polysaccharide, cellulose, chitin. Có nhiều nghiên cứu chế tạo màng phân hủy sinh học ở trong và ngoài nước được tạo thành từ các nguyên liệu nói trên, ví dụ như “Nghiên cứu tổng hợp màng composite phân hủy sinh học chitosan và tinh bột sử dụng để kháng khuẩn xâm nhập”, “Chitosan–starch 3 composite film: preparation and characterization” hay “Nghiên cứu tổng hợp màng Chitosan/Zeolite và khảo sát khả năng loại bỏ các kim loại nặng trong nước của màng”. Tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu sử dụng người ta kết hợp các polymer phân hủy sinh học với nhau để khắc phục nhược điểm của mỗi loại cho ra màng có tính chất tốt nhất. Ngoài ra còn có thể sử dụng thêm các phụ gia như chất nối mạng hay chất hóa dẻo.

Màng phân hủy sinh học đi từ tinh bột rất được các nhà nghiên cứu chú ý bởi nó là một polysaccharide có khả năng tạo màng và màng này sẽ phân hủy khi tiếp xúc với môi trường nước, hơn hết nó là nguyên liệu dễ tìm, rẻ và thân thiện với môi trường. Sự giống nhau về cấu trúc hóa học của cellulose và chitosan về cơ bản cho thấy khả năng tương thích của chúng và có thể điều chế các hỗn hợp đồng nhất kết hợp các tính chất độc đáo của cả chitosan và cellulose. Vật liệu dựa trên hai polysaccharide này dù ở dạng bột , hạt, gel hay màng đều có thể ứng dụng làm chất hấp thụ hay chất mang thuốc. Như đã biết việc đưa các nhóm amine phản ứng mạnh hơn các nhóm hydroxyl vào cellulose là một vấn đề khó vì vậy hỗn hợp cellulose-chitosan đại diện cho các lựa chọn thay thế dẫn xuất của amine trong cellulose.

Thậm chí việc bổ sung một lượng nhỏ chitosan vào các sản phẩm giấy và dệt từ cellulose làm tăng đáng kể độ bền cơ học, khả năng tạo màu, tính chất diệt khuẩn và các đặc tính khác của chúng. Một trong những ứng dụng thực tế đầy hứa hẹn của hỗn hợp cellulose-chitosan là quá trình xử lý tạo màng có các thông số độ bền cao cũng như tương thích sinh học tốt, khả năng phân hủy sinh học và tính ưa nước. Do đó màng tạo từ hỗn hợp này rất bền nhưng hoàn toàn có thể phân hủy sinh học trong đất trong vòng hai tháng. Theo nghiên cứu của Makoto Hasegawa và cộng sự (1994) [8] phần trăm giá trị của chitosan khoảng 10  20 (%) trong hỗn hợp màng sẽ cho màng có giá trị độ bền kéo và modul Young lớn hơn so với giá trị được tính bằng cách cộng các giá trị thành phần theo tỷ lệ pha trộn.

Hoặc trong nghiên cứu [9] của tác giả Monika Holmberg và cộng sự (1997) cũng cho thấy cellulose và chitosan có sự tương tác trong phân tử. Tổng quan về polymer blend [10] Polymer blend là loại vật liệu trộn hợp được tạo thành bởi sự kết hợp hai hoặc nhiều polymer khác nhau nhằm thỏa mãn yêu cầu sử dụng nào đó. Trong polymer blend, giữa các polymer có thể có tương tác hóa học có thể là đồng thể hay dị thể. Trong polymer blend đồng thể hai polymer thành phần không còn đặc tính riêng và tính chất của polymer đó là là trung bình cộng của polymer thành phần.

Đối với polymer dị thể các tính chất của polymer thành phần gần như được giữ nguyên. Phân loại polymer blend: polymer blend có thể chia thành 3 loại: polymer blend hòa trộn và tương hợp hoàn toàn, polymer blend hòa trộn một phần và tường hợp một phần, polymer blend không hòa trộn và không tương hợp. Tổng quan về tinh bột [11], [12], [13] Tinh bột có công thức phân tử là (C6H10O5.H2O)m là một loại polymer tạo thành từ cây thực vật. Tinh bột tồn tại nhiều trong các hạt ngũ cốc như lúa gạo, mì, khoai tây, sắn.

Trong tất cả những loại thực vật kể trên, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt và có kích thước khác nhau nhưng thành phần không khác nhau không nhiều. Tinh bột được cấu tạo bởi hai polymer bao gồm các đơn vị D-glucose lặp lại là amylose và amylopectin có công thức được mô tả như hình 1. Về cơ bản, amylose là một polymer mạch thẳng bao gồm các phân tử glucose liên kết (1,4), trong khi amylopectin là một phân tử lớn hơn, nhiều nhánh hơn với các liên kết phân nhánh (1,6). Tỷ lệ amylose/amylopectin trong một hạt tinh bột thay đổi theo nguồn gốc thực vật của tinh bột và có thể thay đổi do điều kiện trồng trọt và thời tiết theo như bảng 1.

Polymer phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột có thể có hàm lượng tinh bột từ 10  90%.