Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực khoa học vật liệu y sinh, polymer thông minh (stimuli-responsive polymers) thu hút sự quan tâm lớn nhờ khả năng phản ứng thuận nghịch trước các thay đổi của môi trường như nhiệt độ và pH. Poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) là polymer nhạy nhiệt phổ biến nhất với nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) đạt khoảng 32 °C, tiệm cận nhiệt độ sinh lý cơ thể người. Mặc dù vậy, pNIPAM có giá thành cao và khả năng trương nở tương đối kém. Trong khi đó, poly(N,N'-diethylacrylamide) (pDEA) thuộc cùng họ acrylamide, sở hữu điểm LCST khoảng 31 °C, giá thành thấp hơn và độ trương nở tốt hơn. Tuy nhiên, cấu trúc nhóm amide bậc ba của pDEA làm giảm độ nhạy nhiệt do không có khả năng hình thành liên kết hydro nội phân tử. Để khắc phục hạn chế này, giải pháp được đưa ra là chế tạo vật liệu mạng lưới bán đan xen polymer (semi-IPNs hydrogel) kết hợp giữa chuỗi copolymer mạch thẳng p(NIPAM-co-AAc) và mạng lưới pDEA.

Paracetamol (APAP) là dược chất giảm đau, hạ sốt thông dụng, an toàn ở liều điều trị thông thường. Khi sử dụng liều cao hoặc kéo dài, quá trình chuyển hóa tại gan tạo ra chất chuyển hóa trung gian độc hại là N-acetyl-p-benzoquinone imine (NAPQI). Nếu lượng glutathione cạn kiệt, NAPQI sẽ liên kết với protein ty thể tế bào gan dẫn đến hoại tử và nhiễm độc gan. Việc thiết kế hệ mang thuốc có cơ chế giải phóng chậm và đáp ứng kích thích kép (nhiệt độ và pH) giúp duy trì nồng độ thuốc ổn định, giảm tần suất dùng thuốc và hạn chế tác dụng phụ.

Đề tài đặt ra 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Tìm hiểu tổng quan về polymer thông minh, hydrogel và dược chất Paracetamol.
  2. Tổng hợp bộ mẫu semi-IPNs hydrogel trên cơ sở DEA, NIPAM và AAc bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do.
  3. Khảo sát các đặc tính lý hóa, hình thái học, độ bền nhiệt và tính chất nhạy kép nhiệt – pH của vật liệu semi-IPNs hydrogel.
  4. Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng thuốc Paracetamol của bộ mẫu semi-IPNs hydrogel trong các điều kiện mô phỏng sinh lý.

Đối tượng nghiên cứu là hệ vật liệu semi-IPNs hydrogel p(NIPAM-co-AAc)/pDEA và dược chất Paracetamol. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại các phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 3/2021 đến tháng 11/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết:

  • Cấu trúc Semi-IPNs: Định nghĩa theo IUPAC là hệ polymer gồm một hoặc nhiều mạng không gian và một hoặc nhiều polymer mạch thẳng hoặc phân nhánh, trong đó mạch thẳng thâm nhập vào mạng không gian ở quy mô phân tử mà không tạo liên kết cộng hóa trị.
  • Hiện tượng nhạy nhiệt (LCST): Sự chuyển pha thuận nghịch giữa trạng thái hòa tan/trương nở (nhiệt độ thấp, liên kết hydro chiếm ưu thế) sang trạng thái co ngót/tách pha (nhiệt độ cao hơn LCST, tương tác kỵ nước giữa các nhóm isopropyl/diethyl chiếm ưu thế).
  • Hiện tượng nhạy pH (Polyelectrolyte): Khả năng phân ly của nhóm carboxylic acid (-COOH) trong acrylic acid (AAc). Tại môi trường kiềm hoặc trung tính (pH = 7,4), nhóm -COOH bị khử proton thành anion carboxylate (-COO⁻), làm tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi polymer, kéo giãn mạng lưới và gia tăng độ trương nở. Ở môi trường acid (pH = 2), nhóm carboxylate bị proton hóa thành dạng không tích điện, hydrogel co lại.
  • Dược động học Paracetamol: Quá trình hấp thu tại ruột non, chuyển hóa tại gan qua hai con đường chính là glucuronid hóa (50–70%) và sunfat hóa (25–35%), cùng con đường oxy hóa phụ qua enzyme CYP2E1 tạo ra NAPQI (5–15%).

Phương pháp nghiên cứu và thiết bị

  • Phương pháp tổng hợp: Trùng hợp gốc tự do trong pha dung dịch nước sử dụng chất khơi mào Ammonium persulfate (APS) và chất xúc tiến N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED), chất tạo liên kết ngang N,N'-methylenebisacrylamide (MBA). Mẫu copolymer mạch thẳng được tinh chế bằng màng lọc thẩm tách (MWCO 10.000 g/mol) trong 7 ngày.
  • Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Thực hiện trên máy Jasco FT/IR-4700 để xác định các nhóm chức hóa học đặc trưng và kiểm tra phản ứng chuyển hóa nối đôi C=C.
  • Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA-DTG): Sử dụng thiết bị Labsys Evo khảo sát độ ổn định nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 600 °C.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái vi cấu trúc, kích thước lỗ xốp và độ dày vách ngăn sau khi sấy đông khô trên máy Freeze Dryer DC401.
  • Phương pháp đo tỷ lệ trương nở (Swelling Ratio - SR): Đánh giá khối lượng gel trương ở trạng thái cân bằng trong hai môi trường đệm (pH = 2 theo TCVN 4320:1986 và pH = 7,4 theo dung dịch PBS P-3813) tại các dải nhiệt độ từ 20 °C đến 40 °C.
  • Phương pháp quang phổ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis): Sử dụng máy UH5300 Hitachi 2 chùm tia để xây dựng đường chuẩn và xác định nồng độ Paracetamol hấp thụ cũng như động học giải phóng thuốc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu polymer và dược học:

  • Khái niệm, phân loại hydrogel theo phương thức liên kết (khâu mạng vật lý và khâu mạng hóa học) và khả năng đáp ứng kích thích môi trường.
  • Đặc tính cơ lý, độ trương nở, lực cân bằng trương nở (tương tác polymer - nước, áp suất thẩm thấu, lực đẩy tĩnh điện và lực đàn hồi mạng lưới) và tính tương hợp sinh học của hydrogel.
  • Cấu trúc và lịch sử phát triển của mạng lưới đan xen (IPNs) và bán đan xen (semi-IPNs).
  • Cơ chế chuyển pha của polymer nhạy nhiệt (LCST, UCST) và polymer nhạy pH (polyelectrolyte polyanion/polycation).
  • Đặc tính cấu tạo, tính chất lý hóa của các monomer: NIPAM ($C_6H_{11}NO$, $M = 113{,}16\text{ g/mol}$, $T_{nc} = 63\text{--}67\text{ }^\circ\text{C}$), DEA ($C_7H_{13}NO$, $M = 127{,}18\text{ g/mol}$, $d = 0{,}924\text{ g/cm}^3$), AAc ($C_3H_4O_2$, $M = 72{,}06\text{ g/mol}$, $d = 1{,}051\text{ g/cm}^3$).
  • Tổng quan lâm sàng, dược động học, tính chất vật lý và cơ chế chuyển hóa của Paracetamol ($C_8H_9NO_2$, $M = 151{,}165\text{ g/mol}$, $T_{nc} = 162\text{ }^\circ\text{C}$).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết hóa chất, quy trình tổng hợp và các phép đo:

  • Nguyên liệu: NIPAM (được tái kết tinh 2 lần trong n-hexane), DEA, AAc, chất tạo mạng MBA, chất khơi mào APS, chất xúc tiến TEMED, Paracetamol tiêu chuẩn.
  • Tổng hợp copolymer mạch thẳng p(NIPAM-co-AAc): Trùng hợp 1,0 g NIPAM với 0,5 mL dung dịch AAc (tỷ lệ 1% mol AAc) trong nước cất ở nhiệt độ dưới 5 °C trong 2 giờ; ổn định ở 3–5 °C trong 24 giờ; thẩm tách qua màng lọc trong 7 ngày (thay nước mỗi 12 giờ).
  • Tổng hợp bộ mẫu semi-IPNs hydrogel: Cố định lượng monomer DEA, đưa dung dịch p(NIPAM-co-AAc) vào với các tỷ lệ khối lượng lần lượt là 10% (mẫu S2-C1), 20% (mẫu S2-C2), 30% (mẫu S2-C3) tương ứng với tỷ lệ chất nối mạng MBA giảm dần là 2,7%, 2,4% và 2,1%.
  • Khảo sát giải phóng thuốc: Hydrogel được nạp Paracetamol và đưa vào môi trường đệm pH = 2 ở nhiệt độ 37 °C; đo độ hấp thụ quang tại các mốc thời gian bằng máy quang phổ UV-Vis.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 phân tích số liệu thực nghiệm thu được từ các phương pháp phân tích lý hóa:

  • Phổ FTIR: Xác nhận sự tạo thành copolymer p(NIPAM-co-AAc) và mạng semi-IPNs thông qua sự biến mất của dao động biến dạng nối đôi $C=C$ (vùng $1620\text{--}1630\text{ cm}^{-1}$ và $960\text{--}990\text{ cm}^{-1}$) của các monomer ban đầu, đồng thời xuất hiện đỉnh hấp thu đặc trưng của nhóm carbonyl (-C=O) và nhóm hydroxyl (-OH) của carboxylic acid.
  • Độ ổn định nhiệt (TGA): Càng tăng hàm lượng copolymer p(NIPAM-co-AAc), độ bền nhiệt của vật liệu càng tăng. Nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt tăng từ 380 °C (S2-C1) lên 395 °C (S2-C2) và đạt 400 °C (S2-C3). Lượng tro còn lại sau 600 °C tăng từ 6,0% lên 8,1%.
  • Hình thái học (SEM): Kích thước lỗ xốp trung bình tăng dần theo hàm lượng copolymer mạch thẳng và sự suy giảm mật độ khâu mạng MBA, dao động từ $158{,}17 \pm 10{,}63\text{ }\mu\text{m}$ đến $381{,}91 \pm 9{,}45\text{ }\mu\text{m}$. Vách ngăn giữa các lỗ xốp mỏng dần, tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của nước và phân tử thuốc.
  • Tỷ lệ trương nở (SR): Trong khoảng nhiệt độ 20–25 °C, tỷ lệ trương nở tăng dần từ S2-C1 đến S2-C3. Ở mọi điều kiện nhiệt độ, độ trương nở trong môi trường pH = 7,4 luôn cao hơn trong môi trường pH = 2 do sự ion hóa nhóm carboxylate.
  • Giải phóng Paracetamol: Thử nghiệm tại 37 °C trong môi trường pH = 2 cho thấy sau 3418 phút, tỷ lệ phóng thích thuốc đạt 67,4% đối với S2-C1; 60,3% đối với S2-C2 và 53,1% đối với S2-C3.
Thông số phân tích Mẫu S2-C1 (10% Copolymer, 2,7% MBA) Mẫu S2-C2 (20% Copolymer, 2,4% MBA) Mẫu S2-C3 (30% Copolymer, 2,1% MBA)
$T$ bắt đầu phân hủy (TGA) 380 °C 395 °C 400 °C
Khối lượng còn lại tại 600 °C 6,0% 6,3% 8,1%
Kích thước lỗ xốp trung bình (SEM) $158{,}17 \pm 10{,}63\text{ }\mu\text{m}$ $273{,}45 \pm 12{,}80\text{ }\mu\text{m}$ $381{,}91 \pm 9{,}45\text{ }\mu\text{m}$
Độ trương nở tại 20 °C (pH = 2) 8,208 g/g 9,480 g/g 11,477 g/g
Độ trương nở tại 20 °C (pH = 7,4) 8,897 g/g 10,407 g/g 12,567 g/g
Tỷ lệ nhả thuốc sau 3418 phút (37 °C, pH = 2) 67,4% 60,3% 53,1%

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Tổng hợp thành công hệ vật liệu: Chế tạo thành công copolymer mạch thẳng p(NIPAM-co-AAc) chứa 1% mol AAc và 3 mẫu hydrogel bán đan xen p(NIPAM-co-AAc)/pDEA (S2-C1, S2-C2, S2-C3) bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do trong nước.
  2. Cải thiện độ ổn định nhiệt và cấu trúc xốp: Việc tăng tỷ lệ copolymer mạch thẳng từ 10% đến 30% giúp nâng nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt từ 380 °C lên 400 °C. Cấu trúc lỗ xốp phát triển mạnh, mở rộng từ $158{,}17\text{ }\mu\text{m}$ lên $381{,}91\text{ }\mu\text{m}$ cùng với các vách ngăn mỏng, giúp tăng khả năng trữ dung môi.
  3. Chứng minh đặc tính nhạy kép nhiệt – pH:
    • Về nhiệt độ: Ở vùng nhiệt độ dưới LCST (20–25 °C), vật liệu có độ trương nở cao; khi nhiệt độ vượt quá LCST (lên đến 40 °C), mạng lưới hydrogel co ngót đẩy nước ra ngoài.
    • Về pH: Độ trương nở ở pH = 7,4 luôn vượt trội so với pH = 2 tại cùng mức nhiệt độ (đạt cực đại 12,567 g/g ở mẫu S2-C3 tại 20 °C, pH = 7,4 so với 11,477 g/g ở pH = 2).
  4. Kiểm soát giải phóng Paracetamol: Quá trình giải phóng thuốc diễn ra kéo dài trong hơn 3400 phút. Mẫu S2-C3 có khả năng giữ và điều hòa tốc độ giải phóng chậm nhất (53,1% sau 3418 phút ở pH = 2, 37 °C), tạo cơ chế phóng thích hướng đích khi chuyển sang môi trường ruột non (pH = 7,4) và khi cơ thể bị sốt (40 °C).

Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Đóng góp vào hướng nghiên cứu polymer thông minh trong nước về việc biến tính pDEA bằng mạng semi-IPNs nhằm thay thế một phần pNIPAM đắt tiền, vừa cải thiện độ nhạy nhiệt vừa nâng cao tính tương hợp sinh học và khả năng trương nở.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về quy trình tổng hợp, các thông số cấu trúc vi mô và động học nhả thuốc Paracetamol, tạo tiền đề thực nghiệm cho các nghiên cứu phát triển hệ dẫn thuốc thông minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo nhận xét đánh giá từ hội đồng chuyên môn và giảng viên phản biện:

  • Hạn chế:
    • Chưa đánh giá đầy đủ tính chất của copolymer mạch thẳng p(NIPAM-co-AAc) độc lập trước khi đưa vào cấu trúc semi-IPNs.
    • Chưa thực hiện khảo sát tính chất lưu biến (phép đo dao động - oscillation) để đánh giá mô đun đàn hồi và độ bền cơ học của gel.
    • Số liệu khảo sát đối với quá trình hấp thụ và giải phóng Paracetamol chưa lặp lại đủ số lần để xây dựng thanh sai số (error bar) hoàn chỉnh.
    • Thời gian thực nghiệm bị gián đoạn do ảnh hưởng của các đợt giãn cách phòng chống dịch bệnh, dẫn đến phòng thí nghiệm phải đóng cửa trong thời gian dài.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Bổ sung đánh giá cơ chế phản ứng và tính toán định lượng hiệu suất tổng hợp, tỷ lệ mol thực tế của các thành phần pDEA và p(NIPAM-co-AAc) trong mạng semi-IPNs.
    • Nghiên cứu sâu hơn tính chất lưu biến của hydrogel và thử nghiệm động học giải phóng Paracetamol tại các mốc nhiệt độ sốt (40 °C) kết hợp môi trường kiềm (pH = 7,4).

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Hóa học, Công nghệ Vật liệu Polymer, Kỹ thuật Hóa Dược: Tham khảo chi tiết quy trình trùng hợp gốc tự do tổng hợp copolymer và semi-IPNs hydrogel trong môi trường nước; kỹ thuật tinh chế polymer bằng màng lọc thẩm tách.
  • Nhà nghiên cứu hệ dẫn thuốc (Drug Delivery Systems): Tham khảo quy trình phân tích đặc tính cấu trúc vật liệu xốp thông qua tổ hợp phương pháp FTIR, TGA, SEM và phương pháp xây dựng đường chuẩn UV-Vis để đánh giá động học giải phóng dược chất.
  • Nội dung nổi bật: Bố cục thực nghiệm rõ ràng, cung cấp thông số cụ thể về tỷ lệ monomer, nồng độ chất khơi mào, thời gian phản ứng và số liệu thực nghiệm đo độ trương nở theo nhiệt độ/pH.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn kết hợp monomer DEA với NIPAM thay vì chỉ sử dụng homopolymer pNIPAM?
Trả lời: pNIPAM có độ nhạy nhiệt tốt (LCST ~32 °C) nhưng giá thành cao và khả năng trương nở thấp. pDEA có giá thành rẻ hơn, trương nở tốt hơn và LCST tương đương (~31 °C), nhưng độ nhạy nhiệt kém do mang nhóm amine bậc ba không tạo được liên kết hydro nội phân tử. Việc kết hợp chuỗi p(NIPAM-co-AAc) vào mạng pDEA để tạo semi-IPNs giúp dung hòa ưu điểm của cả hai loại, vừa tăng độ nhạy nhiệt, vừa giữ độ trương nở tốt và giảm chi phí vật liệu.

2. Vai trò của Acrylic acid (AAc) trong cấu trúc semi-IPNs hydrogel là gì?
Trả lời: AAc đóng vai trò cung cấp tính nhạy pH cho hydrogel. Nhóm carboxylic (-COOH) của AAc sẽ khử proton thành anion carboxylate (-COO⁻) trong môi trường trung tính hoặc kiềm (pH = 7,4), tạo lực đẩy tĩnh điện làm giãn mạng lưới polymer và tăng độ trương nở, trong khi ở môi trường acid (pH = 2) nhóm này không phân ly, giúp hydrogel duy trì trạng thái co để bảo vệ thuốc qua dạ dày.

3. Tỷ lệ copolymer mạch thẳng ảnh hưởng như thế nào đến độ bền nhiệt của hydrogel?
Trả lời: Theo giản đồ TGA, khi tăng hàm lượng copolymer p(NIPAM-co-AAc) từ 10% lên 20% và 30% (tương ứng từ S2-C1 đến S2-C3), nhiệt độ bắt đầu phân hủy nhiệt của mẫu tăng từ 380 °C lên 395 °C và 400 °C, đồng thời lượng tro còn lại tại 600 °C tăng từ 6,0% lên 8,1%, chứng minh độ ổn định nhiệt của vật liệu tăng lên.

4. Kết quả giải phóng Paracetamol trong môi trường pH = 2 ở 37 °C giữa các mẫu có sự khác biệt ra sao?
Trả lời: Sau 3418 phút thử nghiệm ở 37 °C và pH = 2, tốc độ và tỷ lệ giải phóng thuốc giảm dần khi tăng hàm lượng copolymer: mẫu S2-C1 giải phóng 67,4%, mẫu S2-C2 giải phóng 60,3% và mẫu S2-C3 giải phóng 53,1%. Mẫu S2-C3 có khả năng kiểm soát giải phóng chậm tốt nhất trong môi trường acid.

5. Mẫu NIPAM được xử lý tiền thực nghiệm như thế nào trước khi đưa vào phản ứng trùng hợp?
Trả lời: Monomer NIPAM thương mại (99% từ Aldrich) được tinh chế bằng phương pháp tái kết tinh 2 lần trong dung môi n-hexane để sắp xếp lại cấu trúc tinh thể đồng đều và loại bỏ các chất ức chế phản ứng trước khi tiến hành trùng hợp gốc tự do.

Kết luận

Khóa luận đã hoàn thành việc tổng hợp và xác định đặc tính cấu trúc của hệ vật liệu semi-IPNs hydrogel p(NIPAM-co-AAc)/pDEA đáp ứng kích thích kép nhiệt độ và pH. Kết quả thực nghiệm bằng các phương pháp FTIR, TGA, SEM và khảo sát độ trương nở khẳng định việc gia tăng hàm lượng copolymer mạch thẳng giúp cải thiện độ ổn định nhiệt, kích thước lỗ xốp và khả năng trương nở của vật liệu. Thử nghiệm giải phóng Paracetamol chứng minh hệ hydrogel có khả năng kiểm soát tốc độ phóng thích chậm trong môi trường acid mô phỏng dịch vị và mở ra tiềm năng nhả thuốc nhanh ở môi trường ruột non khi nhiệt độ cơ thể tăng cao. Đây là tài liệu thực nghiệm có giá trị tham khảo rõ ràng trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu polymer y sinh ứng dụng dẫn truyền thuốc có kiểm soát.