CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về Hydrogel. Định nghĩa Hydrogel. Hydrogel là các polymer ưa nước được liên kết với nhau, có cấu trúc không gian ba chiều và khả năng trương trong nước nhưng không tan.
Bản chất ưa nước của polymer dẫn đến hydrogel có thể hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng [1- 5]. Trên quan điểm về tính chất lưu biến, hydrogel được định nghĩa là polymer khâu mạch có tính chất đàn nhớt hoặc đàn hồi thuần túy. Thành phần, cấu trúc của hydrogel có thể được thiết kế cho ứng dụng chuyên biệt bằng cách lựa chọn vật liệu ban đầu và quy trình kỹ thuật phù hợp [4][5]. Tính hấp thụ nước của hydrogel khiến chúng trở nên hữu ích trong những ứng dụng như vận chuyển thuốc [2], kính áp tròng [6], tách protein [7], xúc tác [8][9], … Hydrogel được tổng hợp lần đầu tiên bởi giáo sư Lim và Wichterle, Prague, Cộng hòa Czech (1955) với tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.
Cho đến nay, hydrogel đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực [10]. Thời gian gần đây, hydrogel thông minh đã được nghiên cứu rộng rãi do sự chuyển pha đáp ứng sự thay đổi đối với yếu tố bên ngoài bao gồm nhiệt độ, pH, cường độ ion, ánh sáng, áp suất, oxy hóa khử và điện trường. Hydrogel thông minh điển hình là hydrogel phản ứng nhiệt có sự chuyển pha đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, trong đó poly(N- isopropylacrylamide) (pNIPAM) được nghiên cứu rộng rãi nhất [11]. Phân loại Hydrogel.
Quá trình khâu mạng đặc biệt quan trọng để duy trì cấu trúc mạng lưới hydrogel, ngăn chặn quá trình hòa tan của các mạch ưa nước. Dựa trên kiểu khâu mạng có hai cách phân loại hydrogel. [12] + Hydrogel khâu mạng vật lý: Quá trình khâu mạng trong hydrogel dựa trên lực hấp dẫn phi hóa trị giữa các mạch polymer. Những lực này thường là tương tác ion hoặc kỵ nước.
1 Ví dụ, poly(acrylic acid) và poly(metacrylic acid) tạo liên kết hydro với poly(etylene glycol) hình thành hydrogel, trong đó liên kết hydro được tạo thành giữa nguyên tử O của poly(etylene glycol) và nhóm carboxylic của polyacid. Liên kết hydro chỉ được tạo thành khi nhóm acid được proton hóa, do đó sự hình thành hydrogel phụ thuộc pH [13]. Các oligonucleotide cũng được sử dụng để tạo hydrogel. Nagahara và cộng sự đã ghép poly(N,N’-dimethylacrylamide-co-N-acryloylsuccinimide) với 1 sợi DNA đơn [14] tạo thành hydrogel.
Quá trình diễn ra ở nhiệt độ phòng và hydrogel có thể bị hòa tan ở nhiệt độ cao khi DNA bị khử lai tạo. + Hydrogel khâu mạng hóa học: Loại hydrogel này bền hơn so với hydrogel khâu mạng vật lí bởi liên kết ngang được tạo thành là liên kết cộng hóa trị [8]. Hydrogel khâu mạng hóa học có cấu trúc ổn định trừ khi các yếu tố kém bền được đưa vào một cách có chủ ý. Hydrogel khâu mạng hóa học chủ yếu được tạo thành bởi quá trình trùng hợp các monomer với tác nhân khâu mạng.
Các tính chất vật lí khác nhau như khả năng trương được điều chỉnh bởi lượng chất khâu mạng sử dụng. Ngoài ra, hydrogel còn được phân loại là hydrogel đáp ứng kích thích hoặc hydrogel không đáp ứng kích thích. Hydrogel không đáp ứng kích thích chỉ là vật liệu polymer trương khi hấp thụ nước mà không ứng xử dưới sự thay đổi của tác nhân hóa lý. Trong khi đó, hydrogel đáp ứng kích thích được xem là vật liệu “thông minh” bởi chúng có khả năng ứng xử dưới sự thay đổi của các điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH [15], lực ion [16][17], ánh sáng [18], áp suất [19], phân tử sinh học [20]… Tính chất “thông minh” của hydrogel được thừa hưởng từ các polymer cấu thành nên các hydrogel này.
Tính chất Hydrogel. Tính trương nở. Trong thành phần cấu trúc của hydrogel, các chuỗi polymer liên kết với nhau thông qua liên kết vật lý hoặc hóa học [21], do đó không có khái niệm về khối lượng phân tử của 2 hydrogel. Khả năng trương nở của hydrogel có thể được xác định bởi không gian chứa nước bên trong cấu trúc vật liệu.
Tuy nhiên, về cơ bản, xác định tỷ lệ trương nở của hydrogel tức là xác định các lực tương tác polymer – nước. Thành phần, cấu trúc polymer càng ưa nước, tương tác polymer – nước trở nên càng mạnh. Thành phần, cấu trúc hydrogel có chứa các nhóm ion, hiện tượng thẩm thấu được phát sinh do sự khác biệt nồng độ ion trong hydrogel so với dung dịch bên ngoài. Sự khác biệt về nồng độ ion càng lớn, áp suất thẩm thấu càng cao.
Các ion này được tạo thành bởi sự ion hóa của các nhóm ion trên chuỗi mạch polymer. Theo đó, nếu các chuỗi polymer mang điện tích âm hoặc điện tích dương thì các hydrogel tạo thành tương ứng là hydrogel anion hoặc cation. Các điện tích ion trên các chuỗi polymer đẩy nhau trong dung dịch nước giúp mở rộng không gian bên trong vật liệu, đồng nghĩa lượng nước được hấp thụ nhiều hơn làm tăng tỷ lệ trương nở [22]. Về tổng thể, ba lực: tương tác polymer – nước, tĩnh điện và thẩm thấu có tác dụng mở rộng cấu trúc mạng hydrogel.
Ngoài ra, mật độ liên kết ngang cũng ảnh hưởng đến khả năng trương nở của hydrogel. Mật độ liên kết ngang càng cao dẫn đến khoảng cách giữa các chuỗi polymer càng ngắn, khả năng trương nở càng thấp bởi không gian tạo thành bên trong cấu trúc vật liệu có xu hướng nhỏ lại [23-25]. Hydrogel trương, theo định nghĩa, là khả năng hòa tan hạn chế. Nói cách khác, độ hòa tan không giới hạn của hydrogel được ngăn chặn bởi các lực đàn hồi, có nguồn gốc từ các liên kết ngang.
Sự cân bằng giữa lực trương và lực đàn hồi giúp xác định độ trương cân bằng của hydrogel, như thể hiện trong hình 1. Nhờ khả năng trương nở 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 gel này giống tế bào tự nhiên hơn bất kì vật liệu sinh học tổng hợp nào khác. Tính chất cơ học được xem là tính chất quan trọng của hydrogel trong việc ứng dụng vào lĩnh vực y sinh.
Đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là duy trì tính bền vững cơ học của hydrogel, bởi vậy độ bền cơ học của hydrogel là tiêu chí quan 3 Hình 1. Các lực ảnh hưởng đến độ trương cân bằng của Hydrogel. trọng khi thiết kế một hệ điều trị. Mật độ liên kết ngang ảnh hưởng đến cơ tính của hydrogel.
Khi tăng mật độ liên kết ngang, dẫn đến tăng ứng suất và độ bền cơ lý nhưng khả năng biến dạng giảm làm vật liệu trở nên giòn hơn. Do đó cần xác định mật độ liên kết ngang tối ưu để hydrogel tương đối bền và đàn hồi. Tóm lại, các liên kết ngang giữa các chuỗi polymer là cần thiết để cải thiện các tính chất cơ học của hydrogel, với việc tăng mật độ liên kết, các tính chất cơ học sẽ được cải thiện. Tính chất tương hợp sinh học.
Một đặc điểm quan trọng của vật liệu hydrogel ứng dụng trong lĩnh vực y tế là khả năng tương hợp sinh học và không gây 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 INVIVO. Bởi vậy, việc đánh giá khả năng gây độc của hydrogel là một phần không thể thiếu nhằm xác định tính phù hợp của vật liệu cho ứng dụng sinh học. Hydrogel cung cấp môi trường thích hợp để tế bào di chuyển, tăng trưởng và biệt hóa.
Khi hydrogel tồn tại trong cơ thể sẽ thúc đẩy những chức năng tế bào cho những ứng dụng đặc biệt như tăng độ bám dính, tăng trưởng và biệt hóa tế bào nhằm thúc đẩy quá trình phát triển mô mà không đầu độc tế bào, không kích hoạt phản ứng miễn dịch. Ứng dụng Hydrogel. Từ phòng thí nghiệm đến đời sống thực tiễn, hydrogel, đặc biệt là hydrogel thông minh, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghệ sinh học và y tế. Tã dùng một lần.
Ứng dụng này dựa trên ái lực nhiệt động lực học của hydrogel đối với nước. Hydrogel được dùng trong tã siêu thấm hút có đặc tính khô ngay sau khi hấp thụ một lượng lớn chất lỏng. Hầu hết sản phẩm tã thấm chứa các công thức khác nhau của natri polyacrylate. Trong hai thập kỷ qua, việc ứng dụng sản phẩm này giúp giảm đáng kể các bệnh da liễu liên quan đến việc tiếp xúc kéo dài với các mô ướt.
Trong nông nghiệp. Hydrogel siêu hấp thụ nước có thể dự trữ lượng nước lớn trong thời gian dài, từ đó giảm tỷ lệ chết và công sức chăm sóc đối với thực vật. Hơn nữa, việc giữ một lượng nước lớn trong thời gian dài còn có ý nghĩa quan trọng trong việc trồng cây ở những vùng khô hạn, vận chuyển cây đi xa. Ngoài ra, hydrogel siêu hấp thụ nước còn có khả năng cải tạo đất trồng.
Khi trương, hydrogel làm gãy cấu trúc của đất sét nặng làm tăng quá trình lưu thông và thoát nước. Hơn nữa, hydrogel có thể trương cực đại nhằm giữ nước hoặc thoát nước nhanh chóng. Hydrogel được ứng dụng trong nhiều phương pháp điều trị như dẫn thuốc qua miệng, đường tiêu hóa, dẫn thuốc chữa da và qua da. Fang và cộng sự đã phát hiện các hydrogel cationic có khả năng trương và giải phóng thuốc đáp ứng pH nhằm vận chuyển kháng sinh trong môi trường acid dạ dày [31].
Các nghiên cứu gần đây đã kết luận sự tăng tính hiệu dụng của propanol trong quá trình chuyển hóa qua gan lần đầu nhờ kết hợp thuốc với hợp chất polymer tính nhầy tạo hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở poloxamer [32]. Các công thức hydrogel ứng dụng vận chuyển thuốc chống ung thư dưới da cũng được đề xuất. Cấu trúc IPNs và Semi-IPNs của Hydrogel. Mạng lưới bán đan xen polymer (Semi-IPNs: Semi-interpenetrating polymer networks) và mạng lưới đan xen polymer (IPNs: Interpenetrating polymer networks) đã xuất hiện như một bước tiến cho ứng dụng y sinh và dược phẩm.
Nhờ khả năng kết hợp các đặc tính nổi bật của từng thành phần cao phân tử trong IPNs hoặc semi-IPNs, dẫn đến hình thành một loại vật liệu mới có sự kết hợp các tính chất của hai thành phần đơn lẻ [35]. Cấu trúc của Semi-IPNs và IPNs được thể hiện qua hình 1. Cấu trúc Semi-IPNs và IPNs Hydrogel. IPNs có thể được xem là một dạng polymer blending.