CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về hydrogels 1.1 Định nghĩa Hydrogels là một loại vật liệu gốc polymer có cấu trúc mạng không gian ba chiều, được tổng hợp từ các mạng monomer ưa nước như polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, … Hydrogels có rất nhiều tính chất độc đáo như: đàn hồi, chịu lực, đặc biệt là khả năng hấp thụ rất tốt, đặc tính này cho phép hydrogels hấp thụ lượng lớn nước hoặc dung môi làm khối lượng có thể tăng lên đáng kể, thậm chí hàng nghìn lần khối lượng ban đầu mà không bị hòa tan trong dung dịch hấp thụ [2]. Khả năng hấp thụ nước của hydrogels có được từ các nhóm monomer ưa nước gắn vào khung polymer trong khi khả năng chống hòa tan có từ các liên kết chéo giữa các chuỗi mạng. Nước bên trong hydrogels cho phép khuếch tán tự do một số phân tử chất tan, trong khi polymer đóng vai trò là chất nền để giữ nước và chất tan lại với nhau. Điều này tạo ra một môi trường độ ẩm và ổn định, làm cho hydrogels được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ sinh học, ứng dụng tạo màng bảo vệ cho thuốc, kiểm soát giải phóng thuốc [3].
Ngoài ra, hydrogels còn được áp dụng trong lĩnh vực môi trường, công nghệ thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác. Liên kết trong mạng lưới của hydrogels có thể là liên kết vật lý hoặc liên kết hóa học: • Liên kết vật lý: Các chuỗi polymer trong mạng lưới sẽ được liên kết lại với nhau bằng lực tĩnh điện, liên kết hydro, liên kết Van der Waals, … các liên kết này được hình thành thông qua những thay đổi trong điều kiện môi trường như: độ pH, nhiệt độ, nồng độ ion, ánh sáng, tia X, … • Liên kết hóa học: Các chuỗi polymer sẽ được liên kết lại với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, liên kết cộng hợp hoặc liên kết giữa các nhóm chức năng trong các phân tử polymer, các liên kết này được hình thành bằng các phản ứng hóa học, bức xạ năng lượng cao, phản ứng của xúc tác tạo gốc tự do, … [4],[5]. Trong những năm gần đây, các nghiên cứu trên thế giới đã đạt được nhiều kết quả: vào năm 2018, Cuiyun Liu và cộng sự nghiên cứu về Hydrogel mạng đôi Alginate/PVA được gia cố bằng graphene Oxide để loại bỏ thuốc nhuộm[6]. Ghazagh 4 và cộng sự nghiên cứu về hydrogels mạng kép Hydroxyapatite/alginate/polyvinyl alcohol/agar làm vật liệu vận chuyển thuốc[7].
Cũng trong năm 2024, Saeed Seifi và cộng sự nghiên cứu mô phỏng khung sinh học ứng dụng tái tạo xương[8].Trong nước, nghiên cứu về hydrogels mạng đôi vẫn còn hạn chế so với thế giới. Là vật liệu mới nên phạm vi nghiên cứu chưa được mở rộng, ứng dụng thực tiễn còn hạn chế, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào đặc tính cơ bản của vật liệu.2 Phân loại hydrogels Hydrogels có thể được phân loại dựa trên loại mạng như: Mạng đơn, mạng bán xen kẽ: là hai mạng polymer riêng biệt, trong đó một phần của một mạng thâm nhập vào mạng còn lại và mạng xen kẽ toàn phần: là mạng lưới polymer gồm hai hoặc nhiều mạng được xen kẽ một phần với nhau và không thể tách rời trừ khi liên kết hóa học bị phá vỡ. [9] Những hydrogels tổng hợp mạng đơn thường khá yếu về mặt cơ học, khả năng chịu lực kéo kém do hàm lượng nước ở trong mạng lưới cao và khả năng phản ứng chậm khi bị trương nở vì vậy làm cho vật liệu bị hạn chế nhiều khi được ứng dụng cho các lĩnh vực đòi hỏi vật liệu có cơ tính cao cũng như sự linh hoạt để dễ dàng tương thích với các hóa chất và các tế bào sinh học,… [10] Để khắc phục các nhược điểm của hydrogels mạng đơn, các nhà khoa học đã nỗ lực tập trung nghiên cứu và phát triển để tạo ra các loại hydrogels hoàn thiện hơn như: hydrogels nanocomposite, hydrogels mạng đôi, hydrogels mạng ba, hydrogels covalent adaptable network (CAN),… [11] Trong số đó thì hydrogels mạng đôi (Double Network Gels) với cấu trúc liên kết mạng kép độc đáo đã trở thành một ứng cử viên tiềm năng để tăng cường độ bền, độ dẻo dai cũng như tính linh hoạt cho hydrogels.2 Giới thiệu về Double network gels ( DN gels) Double network gels là một loại vật liệu polymer dạng gels có cấu trúc mạng đôi như hình 1.1, trong đó hai mạng polymer khác nhau có phản ứng cơ học trái ngược nhưng bổ sung tính chất cho nhau được liên kết với nhau một cách bán xen kẽ (semi interpenetrating polymer network - semi IPN) hoặc xen kẽ toàn phần (interpenetrating polymer networks - IPN) vào nhau thông qua các liên kết hóa học hoặc các liên kết vật lý [12]. Sự kết hợp của hai mạng polymer trong DN gels tạo ra một cấu trúc phức tạp và đa chiều, cho phép hydrogels có khả năng hút nước cao và giữ được một lượng lớn nước 5 trong mạng lưới polymer.
Điều này làm cho DN gels trở thành một vật liệu linh hoạt và đàn hồi, có nhiều ứng dụng trong y tế, sinh học và nhiều ngành công nghiệp. Thông thường mạng polymer thứ nhất trong DN gels được gọi là mạng polymer chính (network polymer), chiếm nồng độ thấp trong cấu trúc gels, mạng chính khá cứng và giòn do chứa các liên kết ngang dày đặc nhưng tính chất cơ học kém đóng vai trò là một bộ khung có nhiệm vụ “ hy sinh” để bảo vệ mạng thứ hai khi chịu lực tác động. Mạng polymer thứ hai trong DN gels được gọi là mạng polymer phụ (secondary network) chiếm nồng độ cao trong cấu trúc gels thường linh hoạt và mềm dẻo với mật độ liên kết ngang thấp hoặc không có liên kết ngang đóng vai trò lấp đầy khoảng trống trong bộ khung của mạng thứ nhất tạo ra các kết nối bổ sung giữa các chuỗi polymer trong mạng chính giúp cho DN gels tăng cường khả năng hấp thụ ứng suất bên ngoài trở nên linh hoạt và dẻo dai hơn. Mạng polymer phụ có thể khác hoặc cùng loại với mạng polymer chính, nhưng thường ta sẽ chọn mạng phụ có tính chất khác biệt để tạo ra sự tương phản về tính chất giữa hai mạng của DN gels từ đó các liên kết mạnh hơn được hình thành giúp tăng tính đàn hồi, khả năng chịu lực cũng như mang lại khả năng tiêu tán năng lượng hiệu quả cho DN gels [13].1 Cấu trúc DN gels PVA/SA [14].
DN gels khi chịu tác động của ngoại lực, thì mạng thứ nhất sẽ phân tán năng lượng bằng cách phá vỡ cấu trúc cứng còn mạng thứ hai sẽ duy trì sự toàn vẹn của mạng lưới DN 6 gels. Sự kết hợp này giúp tăng cường độ bền, độ dẻo dai và khắc phục được nhược điểm của cả hai mạng.3 Các phương pháp tổng hợp DN gels 1.1 Phương pháp cổ điển Ở phương pháp này DN gels sẽ được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp hai giai đoạn. Giai đoạn đầu một polyelectrolyte mạnh sẽ được tiến hành trùng hợp quang sử dụng UV để tiến hành khâu mạng cộng hóa trị tạo ra mạng polymer thứ nhất cứng và giòn, sau đó gels polyelectrolyte này sẽ được ngâm trong dung dịch chứa các monomer của mạng polymer thứ hai (polymer trung tính), chất khâu mạng và chất khơi mào. Do tính chất trương nở tốt của các các polyelectrolyte, các chất phản ứng của mạng thứ hai trong dung dịch sẽ dần được khuếch tán vào mạng thứ nhất làm gia tăng độ giãn nở thể tích của mạng thứ nhất và số lượng mạng thứ hai trong DN gels tăng lên gấp nhiều lần so với mạng thứ nhất dẫn đến tăng kích thước của DN gels [15].
Đây là phương pháp được dùng rộng rãi nhất vì khá thuận lợi trong việc tổng hợp cũng như cải tiến, sửa đổi và đáp ứng với các hệ gels khác nhau. Tuy nhiên thời gian tổng hợp DN gels bằng phương pháp này khá lâu thường sẽ mất khoảng 1 - 2 ngày để tổng hợp thành công, bên cạnh đó nếu sử dụng mạng thứ nhất là polymer trung tính thì phương pháp cổ điển sẽ gặp nhiều khó khăn do sự trương nở kém của mạng trung tính làm cho DN gels tạo thành không có độ bền.2 Phương pháp Molecular stent Để khắc phục nhược điểm khi tổng hợp DN gels bằng polymer trung tính của phương pháp cổ điển, các nhà khoa học đã nghiên cứu và giới thiệu một phương pháp tổng hợp mới là “molecular stent”, tương tự phương pháp cổ điển phương pháp này cũng tiến hành tổng hợp DN gels thông qua hai giai đoạn trùng hợp với mạng đầu tiên là polymer trung tính đã được tổng hợp sẵn và xác định rõ cấu trúc mạng. Sau đó, các polyelectrolyte tuyến tính mạch thẳng, mạnh được đưa vào mạng thứ nhất để tạo semi-IPN gels. Trong quá trình này, áp suất thẩm thấu tổng thể của semi-IPN gels tăng lên nhằm kéo dãn các chuỗi mạng polymer trung tính, làm tăng khả năng trương nở mạnh (giống như các gels polyelectrolyte) và chứa các polyelectrolyte anion hoặc cation trong đó, lúc này gels polymer trung tính được gọi là “Stent gels” hay “St gels”.
Sau đó Stent gels được xử lý 7 giống như phương pháp cổ điển. Gels được ngâm trong dung dịch chất khơi màu, xúc tác, khâu mạng,…để trùng hợp tạo mạng thứ hai [16]. Phương pháp này đã thành công cải thiện nhược điểm của phương pháp cổ điển, mở rộng nguồn tài liệu để tổng hợp DN gels từ polymer trung tính, tăng cường được độ bền cũng như tính chất cơ học của DN gels.3 Phương pháp One – pot Phương pháp này tổng hợp DN gels trong một lần phản ứng dựa trên quy trình sol - gels thuận nghịch sử dụng hai loại chất phản ứng: một chất là polyol và một chất là xúc tác. Chất polyol thường là một polymer có chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH), trong khi chất xúc tác thường là một hợp chất có khả năng tạo liên kết chéo giữa các nhóm hydroxyl.
Quá trình tổng hợp bắt đầu bằng việc trộn polyol và chất xúc tác với nhau trong một hỗn hợp. Khi xúc tác tác động lên polyol, các nhóm hydroxyl trong polyol tương tác với nhau thông qua phản ứng gốc tự do, tạo thành các liên kết chéo giữa các mạch polymer. Quá trình này thường được thực hiện dưới điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng nhất định. Sau khi kết thúc quá trình ta sẽ thu được DN gels.
[17] Phương pháp one - pot chỉ mất khoảng từ 1 - 2 h để tổng hợp thành công DN gels với quy trình tổng hợp đơn giản và dễ kiểm soát.4 Phương pháp Extrusion 3D-printing Quá trình chế tạo DN gels bằng phương pháp in 3D bao gồm công đoạn tiêm dung dịch tiền chất vào khuôn xác định, sau đó phản ứng gels hóa diễn ra dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng, hoặc hóa chất.