Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Vật liệu polymer dạng hydrogel sở hữu cấu trúc mạng không gian ba chiều (3D) có khả năng hấp thụ và lưu trữ lượng nước lớn mà không bị hòa tan, được ứng dụng rộng rãi trong y tế, sinh học, xử lý môi trường và mỹ phẩm. Tuy nhiên, các hydrogel mạng đơn (single network - SN gels) truyền thống thường bộc lộ những hạn chế rõ rệt về mặt cơ học: độ bền kéo và độ dẻo dai tương đối kém, khả năng chịu nhiệt và môi trường hóa học không cao, đồng thời cấu trúc mạng bên trong kém đồng nhất. Để khắc phục các nhược điểm này, hệ hydrogel mạng kép (double network gels - DN gels) được phát triển nhằm tăng cường cơ tính, độ đàn hồi và khả năng tiêu tán năng lượng thông qua sự kết hợp của hai mạng polymer có đặc tính cơ học tương phản nhưng bổ trợ cho nhau.
Bên cạnh yêu cầu về cơ tính, vật liệu ứng dụng trong lĩnh vực tiếp xúc sinh học và da liễu đòi hỏi tính tương thích sinh học cao, khả năng phân hủy sinh học và không gây độc hại. Làn da con người chiếm khoảng 16% tổng trọng lượng cơ thể, đóng vai trò là hàng rào bảo vệ trước các tác nhân môi trường như gió, nhiệt độ lạnh và bức xạ tia cực tím (UV) – những yếu tố dễ phá vỡ cấu trúc biểu bì, gây mất nước và kích thích tiết bã nhờn. Việc chế tạo hệ DN gels thuần liên kết vật lý (liên kết hydro, tương tác ion) không sử dụng hóa chất khâu mạng độc hại giúp tạo ra màng hydrogel an toàn, có khả năng giữ ẩm cao, kiểm soát tiết dầu và hỗ trợ phục hồi tổn thương da.
Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:
Mục tiêu nghiên cứu:
- Nghiên cứu và khảo sát quá trình tổng hợp các hệ double network gels (DN gels).
- Khảo sát ảnh hưởng của các anionic polysaccharide lên các tính chất của hệ DN gels.
- Định hướng ứng dụng vật liệu trong lĩnh vực mặt nạ cấp ẩm.
Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu:
- Xây dựng và khảo sát quy trình tổng hợp vật liệu hydrogels.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ngâm $\text{CaCl}_2$ (1 M, 2 M, 3 M) đến hệ DN gels PVA/SA.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm dung dịch $\text{CaCl}_2$ (1 ngày, 4 ngày, 7 ngày) đến hệ DN gels PVA/SA.
- Khảo sát ảnh hưởng của các loại anionic polysaccharide (SA, CMC, HA) trên nền PVA đến cấu trúc và tính chất của hệ DN gels.
- Khảo sát khả năng cấp ẩm và kiểm soát độ dầu của DN gels trên mô hình da.
- Khảo sát khả năng kháng khuẩn của màng DN gels khi bổ sung tinh dầu.
- Khảo sát khả năng hấp thu nước (Water Uptake) của các hệ DN gels.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các hệ hydrogel mạng kép được tổng hợp từ Polyvinyl alcohol (PVA 1788) kết hợp với các anionic polysaccharide gồm Sodium alginate (SA), Sodium carboxymethyl cellulose (CMC), Sodium hyaluronate (HA), cùng các phụ gia chức năng như tinh dầu sả chanh, chất hoạt động bề mặt Tween 80 và Cocamidopropyl Betaine.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian: Thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, phối hợp cùng Khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Công Thương TP. Hồ Chí Minh.
- Thời gian: Nghiên cứu hoàn thành vào tháng 08 năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu
- Cấu trúc Double Network Gels (DN gels): Mạng thứ nhất là mạng cứng và giòn (mạng polyelectrolyte hoặc mạng PVA liên kết hydro), đóng vai trò là "khung hy sinh" để phân tán và triệt tiêu năng lượng khi chịu lực kéo biến dạng. Mạng thứ hai là mạng polymer mềm dẻo, khối lượng phân tử lớn, liên kết lỏng lẻo, có chức năng duy trì sự toàn vẹn của cấu trúc không gian ba chiều.
- Cơ chế khâu mạng vật lý:
- Mạng liên kết hydro: Hình thành giữa các chuỗi PVA thông qua các chu kỳ đông lạnh sâu và rã đông (Freeze - Thaw), tạo các vùng vi tinh thể giữ chặt mạch polymer.
- Mạng phối tử ion kim loại: Hình thành giữa ion $\text{Ca}^{2+}$ và các nhóm carboxylate ($-\text{COO}^-$) của Sodium alginate tạo cấu trúc liên kết không gian theo mô hình "hộp trứng" (egg-box model).
- Phân loại phương pháp tổng hợp DN gels: Phương pháp cổ điển (trùng hợp hai giai đoạn), phương pháp Stent phân tử (Molecular stent), phương pháp một bình phản ứng (One-pot), phương pháp đùn - in 3D (Extrusion 3D-printing), và phương pháp tạo hình tự do (Free-shapeable).
Hóa chất và thiết bị thực nghiệm
| Tên hóa chất / Nguyên liệu |
Công thức / Quy cách |
Nhà sản xuất / Xuất xứ |
Độ tinh khiết |
| Polyvinyl Alcohol (PVA 1788) |
$(\text{CH}_2\text{CHOH})_n$ (thủy phân 87–89% mol) |
Shanghai Zhanyun Chemical (Trung Quốc) |
Tinh khiết |
| Sodium Alginate (SA) |
$\text{C}_6\text{H}_7\text{NaO}_6$ |
Shanghai Lanji Co., Ltd (Trung Quốc) |
99% |
| Sodium Carboxymethyl Cellulose (CMC) |
$\text{C}_6\text{H}_9\text{OCH}_2\text{COONa}$ |
Xilong Scientific Co., Ltd (Trung Quốc) |
Tinh khiết |
| Sodium Hyaluronate (HA) |
$\text{C}{28}\text{H}{44}\text{N}2\text{NaO}{23}$ |
Making Cosmetic (EU) |
97,6% |
| Calcium Chloride |
$\text{CaCl}_2$ |
Xilong Scientific Co., Ltd (Trung Quốc) |
$\ge 96%$ |
| Sodium Hydroxide |
$\text{NaOH}$ |
Xilong Scientific Co., Ltd (Trung Quốc) |
$\ge 96%$ |
| Citric Acid |
$\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7$ |
Xilong Scientific Co., Ltd (Trung Quốc) |
Tinh khiết |
| Lactic Acid |
$\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$ |
Xilong Scientific Co., Ltd (Trung Quốc) |
85% |
| Tinh dầu sả chanh |
Chiết xuất tự nhiên |
Agimexpharm Co., Ltd (Việt Nam) |
100% |
| Tween 80 |
$\text{C}{64}\text{H}{124}\text{O}_{26}$ |
Xilong Scientific Co., Ltd (Trung Quốc) |
100% |
| Cocamidopropyl Betaine |
$\text{C}{19}\text{H}{38}\text{N}_2\text{O}_3$ |
BAFS Co. |
Chuẩn mỹ phẩm |
Hệ thống thiết bị đo đạc gồm có:
- Thiết bị phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier: Shimadzu FTIR-8400S (Nhật Bản).
- Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng: TA Instruments TGA 55 (Mỹ).
- Thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai: Netzsch DSC 214 Polyma (Đức).
- Máy đo lực kéo cơ học: Imada DST-200N (Nhật Bản).
- Tủ cấp đông sâu: Panasonic MDF-C8V1 (nhiệt độ làm việc $-60\ ^\circ\text{C}$, Nhật Bản).
- Máy khuấy cơ gia nhiệt IKA RW 20 Digital (Đức), máy khuấy từ gia nhiệt Velp AREC (Ý).
- Máy đo độ ẩm và lượng dầu chuyên dụng trên da, kính hiển vi quang học Optika SN-520265 (Ý).
Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm
- Quy trình tổng hợp 1 (QT 1 - Ngâm tẩm $\text{CaCl}_2$): Hòa tan PVA 14% ở $70\ ^\circ\text{C}$, bổ sung SA khuấy đồng nhất trong 2 giờ, kiềm hóa bằng dung dịch $\text{NaOH}\ 0,5\text{ M}$ ở $90\ ^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, trung hòa về $\text{pH} = 7$ bằng citric acid 10%. Hỗn hợp sau khi khử bọt 12 giờ được đổ khuôn, cấp đông ở $-60\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và rã đông 4 giờ ở nhiệt độ phòng. Mẫu hydrogel sau đó được ngâm trong dung dịch $\text{CaCl}_2$ ở các nồng độ 1 M, 2 M, 3 M với các mốc thời gian 1 ngày, 4 ngày, 7 ngày.
- Quy trình tổng hợp 2 (QT 2 - Bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$): Tương tự quy trình 1 nhưng dung dịch được trung hòa bằng lactic acid, sau đó bổ sung trực tiếp dung dịch $\text{CaCl}_2\ 1%$ vào hỗn hợp ở $90\ ^\circ\text{C}$ trước khi đổ khuôn và tạo gel bằng một chu kỳ đông - xả (Freeze - Thaw: đông lạnh $-60\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ, rã đông 4 giờ). Quy trình này giúp loại bỏ giai đoạn ngâm tẩm kéo dài.
- Quy trình tổng hợp 3 (QT 3 - Tích hợp tinh dầu): Nhũ hóa tinh dầu sả chanh bằng chất hoạt động bề mặt Tween 80, phối trộn vào dung dịch anionic polysaccharide trước khi trộn hợp với PVA và khâu mạng theo quy trình QT 2.
- Phương pháp đánh giá đặc tính:
- Phân tích nhóm chức: Đo phổ FTIR trong vùng số sóng $4000 - 400\ \text{cm}^{-1}$.
- Đo cơ tính: Đo độ bền kéo đứt ($\text{MPa}$) và độ giãn dài khi đứt ($%$) trên máy đo lực kéo Imada DST-200N.
- Đánh giá nhiệt: Ghi giản đồ TGA để xác định nhiệt độ bắt đầu phân hủy; phân tích đường cong DSC để xác định nhiệt độ chuyển pha và biến thiên enthalpy ($\Delta H$).
- Khả năng cấp ẩm và giảm dầu: Tiến hành thực nghiệm trên mô hình da heo tươi (được làm sạch biểu bì và sấy khô), đo chỉ số độ ẩm và hàm lượng dầu trước và sau khi đắp mẫu gel.
- Đánh giá khả năng kháng khuẩn: Thử nghiệm ức chế vi khuẩn trên màng gel có chứa tinh dầu.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương này tổng thuật toàn diện cơ sở lý thuyết về vật liệu hydrogel và hydrogel mạng kép (DN gels). Tác giả phân tích cấu trúc mạng semi-IPN và IPN, làm rõ cơ chế nâng cao cơ tính dựa trên nguyên lý "liên kết hy sinh" của mạng thứ nhất kết hợp độ mềm dẻo của mạng thứ hai. Các phương pháp chế tạo DN gels tiên tiến được tổng hợp gồm phương pháp cổ điển, Molecular stent, One-pot, Extrusion 3D-printing và Free-shapeable.
Chương 1 cũng trình bày chi tiết bản chất hóa lý của các thành phần nguyên liệu tham gia tạo màng: PVA (khả năng kết tinh tạo liên kết hydro khi đông - xả), Sodium alginate (tạo phức mạng ion Ca2+), CMC (dẫn xuất cellulose tan trong nước với mức độ thế DS), HA (mucopolysaccharide nội sinh có khả năng giữ ẩm cao), cùng các phụ liệu như tinh dầu sả chanh, Tween 80 và Cocamidopropyl Betaine. Ngoài ra, chương tổng quan phân tích 4 dạng liên kết ngang (hóa học hoàn toàn, vật lý hoàn toàn, lai vật lý - hóa học, liên kết bức xạ) và điểm qua 5 nhóm ứng dụng tiêu biểu của DN gels: cảm biến thông minh, chất mang giải phóng thuốc có kiểm soát, khung giá thể kỹ thuật mô, băng gạc y tế và vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng ($\text{Pb}^{2+}, \text{Ni}^{2+}, \text{Cd}^{2+}, \text{Cu}^{2+}$).
Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương này chi tiết hóa thông số kỹ thuật của toàn bộ nguyên liệu, hóa chất và 10 thiết bị máy móc phân tích. Nội dung trọng tâm mô tả chi tiết 3 quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu hydrogel:
- Xây dựng quy trình khâu mạng vật lý ngâm tẩm muối $\text{CaCl}_2$ (QT 1) với các biến số nồng độ (1 M, 2 M, 3 M) và thời gian ngâm (1, 4, 7 ngày).
- Cải tiến và tối giản hóa thành quy trình bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$ (QT 2), sử dụng lactic acid trung hòa và bổ sung $\text{CaCl}_2\ 1%$ trực tiếp tại $90\ ^\circ\text{C}$.
- Thiết lập quy trình QT 3 kết hợp tinh dầu sả chanh và chất trợ phân tán Tween 80.
Chương 2 trình bày chi tiết quy trình tạo gel bằng kỹ thuật đông - xả (Freeze - Thaw ở $-60\ ^\circ\text{C}$ trong 24 giờ và rã đông 4 giờ) cùng quy trình phân tích cấu trúc phổ FTIR, cơ tính kéo đứt, độ hấp thu nước (Water Uptake), phân tích nhiệt lượng TGA/DSC, thử nghiệm vi sinh kháng khuẩn và quy trình chuẩn bị da heo để đo độ ẩm, độ dầu.
Chương 3: Kết quả và bàn luận
Chương này tập trung công bố và thảo luận các kết quả thực nghiệm thu được:
- Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian ngâm $\text{CaCl}_2$ (QT 1): Phổ FTIR ghi nhận sự dịch chuyển các pic đặc trưng của nhóm hydroxyl và carboxylate khi có sự tham gia của ion $\text{Ca}^{2+}$. Cơ tính của hệ PVA/SA phụ thuộc chặt chẽ vào nồng độ $\text{CaCl}_2$ và thời gian ngâm; tuy nhiên, thời gian ngâm kéo dài làm tăng độ cứng nhưng làm giảm độ đồng nhất và kéo dài chu trình chế tạo.
- Hiệu quả của quy trình bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$ (QT 2): Việc đưa trực tiếp $\text{CaCl}_2\ 1%$ vào hỗn hợp ở môi trường lactic acid tạo ra mạng lưới gel đồng nhất, duy trì cơ tính ổn định mà không cần ngâm tẩm qua nhiều ngày.
- Ảnh hưởng của các loại anionic polysaccharide (QT 2): Đánh giá so sánh giữa 3 hệ gel PVA/SA, PVA/CMC và PVA/HA. Kết quả cho thấy bản chất của từng loại polysaccharide quyết định trực tiếp đến độ bền kéo, độ giãn dài, khả năng hút nước cũng như hiệu quả cấp ẩm trên da.
- Ảnh hưởng của môi trường và trình tự bổ sung HA: Phân tích hệ PVA/HA ở môi trường kiềm (ký hiệu PVA/HA (1)) và môi trường trung tính (ký hiệu PVA/HA (2)). Kết quả cơ tính và FTIR khẳng định việc bổ sung HA ở môi trường trung tính giúp bảo toàn tốt hơn mạch phân tử HA, từ đó nâng cao độ giãn dài khi đứt và độ bền kéo.
- Phân tích nhiệt vi sai (DSC) và nhiệt trọng lượng (TGA): Giản đồ TGA ghi nhận nhiệt độ phân hủy của PVA giảm sau khi tạo màng gel so với hạt nhựa nguyên liệu ban đầu. Phân tích DSC xác định rõ sự thay đổi nhiệt độ chuyển pha và biến thiên enthalpy ($\Delta H$) giữa mạng đơn PVA và các hệ mạng kép PVA/AP.
- Khảo sát bổ sung tinh dầu sả chanh (QT 3) và Cocamidopropyl Betaine: Tinh dầu sả chanh khi được phân tán bằng Tween 80 mang lại khả năng ức chế vi sinh vật cho màng gel. Bổ sung Betaine giúp cải thiện độ dịu nhẹ, tăng khả năng giữ ẩm và biến đổi nhiệt động của màng gel hydrogel.
Kết quả và đóng góp
Số liệu kết quả thực nghiệm chính
1. Cơ tính kéo và khả năng cấp ẩm của các hệ Hydrogel (theo quy trình bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$):
| Hệ mẫu Gel |
Độ bền kéo đứt (MPa) |
Độ giãn dài khi đứt (%) |
Mức tăng độ ẩm trên da heo (%) |
| SN gels PVA (Mạng đơn) |
— |
— |
$23 \pm 0$ |
| DN gels PVA/SA |
$0,375 \pm 0,013$ |
$169,407 \pm 8,527$ |
$31 \pm 2,65$ |
| DN gels PVA/CMC |
$0,341 \pm 0,006$ |
$141,630 \pm 12,415$ |
$37 \pm 1,73$ |
| DN gels PVA/HA (1) (môi trường kiềm) |
$0,356 \pm 0,008$ |
$158,518 \pm 17,739$ |
$33,33 \pm 2,08$ |
| DN gels PVA/HA (2) (môi trường trung tính) |
$0,365 \pm 0,011$ |
$183,778 \pm 27,458$ |
$34 \pm 4,36$ |
2. Kết quả phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) và nhiệt trọng lượng (TGA):
- TGA: Nhiệt độ bắt đầu phân hủy polymer của PVA nguyên liệu ban đầu là $265,41\ ^\circ\text{C}$. Sau khi trải qua quá trình khuấy gia nhiệt và tạo màng hydrogel mạng đơn (SN gels PVA), nhiệt độ bắt đầu phân hủy giảm xuống mức $216,51\ ^\circ\text{C}$.
- DSC: Quá trình tạo mạng kép với các anionic polysaccharide làm thay đổi nhiệt độ phân hủy đỉnh ($T$) và năng lượng biến thiên enthalpy ($\Delta H$):
- DN gels PVA/SA: $T = 219,7\ ^\circ\text{C}$; $\Delta H = 45,55\text{ J/g}$.
- DN gels PVA/CMC: $T = 217,9\ ^\circ\text{C}$; $\Delta H = 51,36\text{ J/g}$.
- DN gels PVA/HA (2): $T = 194,6 - 216,0\ ^\circ\text{C}$; $\Delta H = 51,81\text{ J/g}$.
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Tối ưu hóa quy trình chế tạo: Kiến nghị áp dụng quy trình bổ sung trực tiếp dung dịch $\text{CaCl}_2\ 1%$ vào hỗn hợp phản ứng (QT 2) thay thế cho quy trình ngâm tẩm truyền thống (QT 1) nhằm rút ngắn thời gian điều chế từ vài ngày xuống còn vài giờ, tiết kiệm hóa chất mà vẫn bảo đảm độ bền cơ học cao.
- Lựa chọn điều kiện phối trộn HA: Cần đưa Sodium Hyaluronate vào hệ phản ứng sau khi đã trung hòa hỗn hợp về môi trường trung tính ($\text{pH} = 7$) bằng lactic acid (mẫu PVA/HA (2)) để tránh sự thủy phân chuỗi HA trong môi trường kiềm mạnh, giúp vật liệu đạt độ giãn dài tối ưu ($183,778%$).
- Ứng dụng phức hợp đa chức năng: Kết hợp tinh dầu sả chanh được nhũ hóa bằng Tween 80 và chất làm dịu Cocamidopropyl Betaine để nâng cao đồng thời khả năng kháng khuẩn, kháng viêm và duy trì độ ẩm cho các sản phẩm mặt nạ chăm sóc da.
Đóng góp mới của đề tài
- Xây dựng thành công quy trình công nghệ tổng hợp hệ hydrogel mạng kép (DN gels) hoàn toàn bằng các liên kết vật lý (Freeze - Thaw kết hợp liên kết ion $\text{Ca}^{2+}$) từ nguồn polymer sinh học an toàn, thân thiện với môi trường, không để lại dư lượng chất đóng rắn hóa học độc hại.
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện về ảnh hưởng của ba loại anionic polysaccharide phổ biến (SA, CMC, HA) đến cấu trúc tế vi (FTIR), cơ lý (kéo đứt, độ dãn dài), nhiệt động học (TGA, DSC) và khả năng giữ ẩm, giảm dầu trực tiếp trên mô hình da sinh học.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của đề tài:
- Đánh giá khả năng cấp ẩm và giảm dầu mới chỉ dừng lại ở mô hình thực nghiệm ex-vivo trên da heo tươi trong điều kiện phòng thí nghiệm, chưa tiến hành thử nghiệm lâm sàng trực tiếp trên da người.
- Tinh dầu sả chanh là hợp chất dễ bay hơi và dễ bị suy giảm hoạt tính khi tiếp xúc với nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt khuấy trộn; đề tài chưa khảo sát chi tiết tốc độ bay hơi và độ suy giảm hoạt tính sinh học theo thời gian lưu trữ dài hạn.
- Phạm vi khảo sát các tỷ lệ nồng độ phụ gia (Tween 80, Betaine, tinh dầu) còn cố định ở một số công thức cụ thể, chưa thiết lập ma trận tối ưu hóa đa mục tiêu.
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Nghiên cứu cơ chế giải phóng có kiểm soát (nhả chậm) của tinh dầu và các hoạt chất dưỡng ẩm từ mạng lưới DN gels.
- Đánh giá độ ổn định, tuổi thọ bảo quản và độ nhiễm khuẩn của màng gel trong các điều kiện môi trường và bao gói khác nhau.
- Mở rộng thử nghiệm kích ứng da và thử nghiệm lâm sàng trên người để hoàn thiện sản phẩm thương mại mặt nạ hydrogel y sinh và mỹ phẩm.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo:
- Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu Polymer, Hóa Dược - Mỹ phẩm, Vật liệu Sinh học Y tế.
- Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất mỹ phẩm, chế phẩm chăm sóc da, băng gạc y tế và màng hydrogel chức năng.
- Nội dung có giá trị sử dụng cao:
- Quy trình công nghệ cải tiến bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$ (QT 2) kết hợp chu kỳ đông - xả (Freeze - Thaw ở $-60\ ^\circ\text{C}$) giúp chế tạo nhanh màng hydrogel mạng kép không độc hại.
- Phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá khả năng cấp ẩm và kiểm soát bã nhờn trên da heo tươi đã qua xử lý.
- Bộ phổ hồng ngoại FTIR, số liệu phân tích nhiệt TGA/DSC và số liệu cơ tính kéo đứt của các hệ gel PVA phối trộn SA, CMC, HA.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao quy trình bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$ (QT 2) lại được ưu tiên lựa chọn hơn quy trình ngâm tẩm $\text{CaCl}_2$ (QT 1)?
Trả lời: Quy trình 1 đòi hỏi thời gian ngâm mẫu trong dung dịch muối $\text{CaCl}_2$ kéo dài từ 1 đến 7 ngày, khiến quy trình kéo dài và cấu trúc gel dễ bị mất đồng nhất do gradient khuếch tán ion từ ngoài vào trong. Quy trình 2 bổ sung trực tiếp $\text{CaCl}_2\ 1%$ vào hỗn hợp đồng nhất ở $90\ ^\circ\text{C}$ trước khi đông - xả, giúp phân bố đều các liên kết ion trong toàn bộ khối gel, đơn giản hóa thao tác và duy trì cơ tính ổn định (độ bền kéo đạt $0,375\text{ MPa}$ với hệ PVA/SA).
2. Trong ba loại anionic polysaccharide khảo sát, hệ gel nào cho cơ tính kéo tốt nhất và hệ nào cho khả năng tăng độ ẩm cao nhất?
Trả lời: Hệ DN gels PVA/SA đạt độ bền kéo cao nhất với giá trị $0,375 \pm 0,013\text{ MPa}$ và độ giãn dài $169,407 \pm 8,527%$. Trong khi đó, hệ DN gels PVA/CMC cho khả năng cấp ẩm trên mô hình da heo cao nhất với mức tăng độ ẩm đạt $37 \pm 1,73%$ (vượt trội hơn so với mạng đơn SN gels PVA chỉ đạt $23 \pm 0%$).
3. Việc thay đổi trình tự bổ sung Sodium Hyaluronate (HA) ở môi trường kiềm và môi trường trung tính ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của màng gel?
Trả lời: Khi bổ sung HA trong môi trường kiềm (hệ PVA/HA (1)), mạch phân tử HA dễ bị kiềm hóa làm giảm nhẹ cơ tính ($0,356\text{ MPa}$; độ giãn dài $158,518%$). Khi bổ sung HA sau khi đã trung hòa về $\text{pH} = 7$ bằng lactic acid (hệ PVA/HA (2)), cấu trúc HA được bảo toàn tốt hơn, giúp độ bền kéo tăng lên $0,365\text{ MPa}$ và độ giãn dài đạt mức cao nhất trong tất cả các hệ là $183,778%$.
4. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) cho thấy sự thay đổi nhiệt độ phân hủy của PVA như thế nào giữa hạt nguyên liệu và màng gel?
Trả lời: Hạt polymer PVA nguyên liệu ban đầu có nhiệt độ bắt đầu phân hủy ở $265,41\ ^\circ\text{C}$. Sau khi trải qua quá trình hòa tan, gia nhiệt khuấy trộn ở nhiệt độ cao và tạo mạng hydrogel qua chu kỳ đông - xả, nhiệt độ bắt đầu phân hủy của màng SN gels PVA giảm xuống còn $216,51\ ^\circ\text{C}$.
5. Tween 80 đóng vai trò gì trong quá trình phối trộn tinh dầu sả chanh vào hệ hydrogel (QT 3)?
Trả lời: Tinh dầu sả chanh là hợp chất kỵ nước, không tan trong nước. Tween 80 là chất hoạt động bề mặt mang tính lưỡng tính giúp làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt phân chia pha, nhũ hóa và phân tán đồng đều các giọt tinh dầu vào dung dịch polymer ưa nước, ngăn ngừa hiện tượng tách pha trước khi tiến hành đông - xả tạo gel.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Võ Tú Uyên đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ vật liệu hydrogel mạng kép (DN gels) thuần liên kết vật lý trên nền Polyvinyl alcohol (PVA 1788) kết hợp với các anionic polysaccharide thiên nhiên (SA, CMC, HA) thông qua kỹ thuật đông - xả và tạo phức ion $\text{Ca}^{2+}$. Việc tối ưu hóa thành công quy trình bổ sung trực tiếp ion $\text{Ca}^{2+}$ (QT 2) đã rút ngắn đáng kể thời gian tổng hợp, đồng thời cải thiện vượt bậc độ bền kéo (đạt tới $0,375\text{ MPa}$), độ giãn dài (lên đến $183,778%$) và nâng cao khả năng cấp ẩm trên mô hình da sinh học (đạt $31 - 37%$). Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu hydrogel mạng kép an toàn, có hoạt tính kháng khuẩn trong lĩnh vực sản xuất mặt nạ cấp ẩm và chăm sóc da y tế.
