Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu sử dụng glucomannan để tổng hợp một số vật liệu và ứng dụng" thuộc chuyên ngành Hóa học (Hóa học vật liệu / Hóa vô cơ và Hóa lý). Luận án tập trung phát triển các dạng vật liệu mới trên cơ sở polymer sinh học konjac glucomannan (KGM) nhằm phục vụ các định hướng ứng dụng trong xử lý môi trường, y sinh, cảm biến khí và xúc tác hữu cơ.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong khoa học vật liệu, các hệ vật liệu vô cơ xốp truyền thống (zeolite vi mao quản như zeolite Y, Fe-ZSM-5; vật liệu mao quản trung bình như MCM-41, SBA-16) bộc lộ nhược điểm là kém tương thích sinh học và khó kết hợp linh hoạt với các nhóm chức hữu cơ. Mặt khác, các vật liệu khung hữu cơ tổng hợp đi từ dẫn xuất nhân thơm lại tồn tại rủi ro độc hại, không thích hợp cho các ứng dụng y sinh. Việc khai thác các polymer sinh học tự nhiên có khả năng tương thích sinh học, phân hủy sinh học và trữ lượng lớn đang là hướng đi cần thiết.
Konjac glucomannan (KGM) chiết xuất từ thân rễ cây Amorphophallus konjac là polysaccharide mạch thẳng giàu nhóm chức hydroxyl (-OH) và O-acetyl, có tính năng tạo gel, tạo phức chelate với ion kim loại chuyển tiếp và tạo liên kết hydro liên phân tử. Tuy nhiên, các công bố trước đây về hydrogel KGM/graphene oxide (KGM/GO) chỉ sử dụng hàm lượng GO thấp dẫn đến dung lượng hấp phụ phẩm màu chưa cao; các hệ hydrogel glucomannan-poly(acrylic acid) (KGM-PAA) nhạy pH có tỷ lệ trương nở chưa lớn làm hạn chế khả năng tải và giải phóng thuốc; đồng thời việc sử dụng KGM làm chất nền định hướng cấu trúc (khuôn mềm) để chế tạo các tấm nano oxide kim loại có độ xốp cao hầu như chưa được nghiên cứu một cách hệ thống.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:
- Tổng hợp được hydrogel konjac glucomannan/graphene oxide có khả năng hấp phụ tốt xanh methylene.
- Tổng hợp được hydrogel konjac glucomannan-poly(acrylic acid) có khả năng hấp thu – giải hấp tốt 5-ASA.
- Tổng hợp được các vật liệu tấm nano $\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$, $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ xốp trên cơ sở sử dụng konjac glucomannan làm chất nền định hướng cấu trúc.
- Các tấm nano oxide kim loại thể hiện được tính năng ưu việt của cấu trúc nano: hoạt tính cảm biến khí của tấm nano $\text{NiO}$ và hoạt tính xúc tác phản ứng benzyl hóa benzene của tấm nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Konjac glucomannan (nguyên liệu từ hãng Shimizu Chemical Co., hàm lượng nhóm acetyl thực tế xác định bằng chuẩn độ acid-base là $2{,}97 \pm 0{,}04%$ theo khối lượng); graphene oxide (GO) tổng hợp từ bột graphite; monomer acrylic acid (AA); dược chất 5-aminosalicylic acid (5-ASA); các tiền chất muối kim loại $\text{Co(NO}_3\text{)}_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$, $\text{Ni(NO}_3\text{)}_2$, $\text{Fe(NO}_3\text{)}_3$ và các hệ nano oxide kim loại dạng tấm xốp tương ứng ($\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$, $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian: Khảo sát thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm đối với quá trình tổng hợp hóa học, phân tích hóa lý, đánh giá khả năng hấp phụ phẩm nhuộm xanh methylene (MB) trong pha lỏng; đánh giá hấp thu và giải phóng 5-ASA trong môi trường dịch dạ dày mô phỏng (SGF, $\text{pH} = 1$) và dịch ruột mô phỏng (SIF, $\text{pH} = 7{,}4$); khảo sát tính chất cảm biến các dòng khí khử ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{NH}_3$, $\text{CO}$, $\text{H}_2$) ở khoảng nhiệt độ từ $200\text{ }^\circ\text{C}$ đến $350\text{ }^\circ\text{C}$; khảo sát phản ứng benzyl hóa benzene và toluene bằng benzyl chloride.
- Thời gian: Thực nghiệm được tiến hành theo các mẻ phản ứng độc lập và kiểm tra độ ổn định tín hiệu cảm biến lặp lại sau khoảng thời gian 4 tháng.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong văn bản
Tác giả đã tổng hợp các hướng nghiên cứu liên quan đến cấu trúc, tính chất của KGM và các ứng dụng mở rộng:
- Cấu trúc và tính chất của Glucomannan: Các nghiên cứu chỉ ra KGM cấu tạo từ các đơn vị D-glucose và D-mannose liên kết qua cầu nối $\beta\text{-1,4-glycoside}$ với tỷ lệ phân tử $\text{D-mannose} : \text{D-glucose}$ là $1{,}6:1$ đối với chiết xuất từ loài Amorphophallus konjac [111, 66], $2:1$ từ loài Acer rubrum L. Khối lượng phân tử trung bình của KGM dao động từ $200.000$ đến hơn $1.000.000\text{ g/mol}$, độ acetyl hóa trung bình từ $5 - 10%$ [151]. Tính tan, khả năng tạo gel và tính chất hóa học (thủy phân cắt mạch, deacetyl hóa, ester hóa, ether hóa, tạo phức chelate với $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$) được dẫn giải theo các tài liệu [5, 7, 28, 36, 59].
- Vật liệu xốp và dẫn thuốc trên cơ sở KGM: Khảo sát các dạng aerogel KGM/montmorillonite [79], sponges KGM/GO giữ hạt nhân phóng xạ Uranium(VI) [26], aerogel composite KGM phủ manganese và iron oxide để hấp phụ Arsenic(III) [154]. Trong hệ phân phối thuốc nhắm mục tiêu đại tràng (OCDDS), KGM được xem là tá dược tự nhiên do bị phân giải chọn lọc bởi enzyme $\beta\text{-mannanase}$ tại ruột kết [77, 158], bao gồm các hệ hydrogel KGM-grafting-acrylic [25], KGM-PAA IPN [145], KGM-poly(aspartic acid) [90].
- KGM làm chất nền định hướng cấu trúc: Shaofeng và cộng sự (2014) sử dụng KGM để tổng hợp hạt nano từ tính FeNi [162]; Junli và cộng sự (2014) chế tạo composite $\text{KGM/Fe}_3\text{O}_4$ [78]; Zhao và cộng sự (2014) dùng KGM làm chất khử và chất ổn định để tổng hợp nano Au xúc tác khử 4-nitrophenol [54]; bên cạnh việc dùng để chế tạo nano Ag [131].
- Hydrogel KGM/GO: Graphene oxide (cấu trúc mô hình Lerf-Klinowski, Ruess, Hofmann, Nakajima-Matsuo [49, 112]) kết hợp với polymer giúp cải thiện độ giòn và tăng cường diện tích bề mặt, dung lượng hấp phụ phẩm màu hữu cơ [8, 51, 94, 164]. Phương pháp tạo cầu nối liên kết sử dụng $\text{Ca(OH)}_2$ được Wang và cộng sự [140], Xu và cộng sự [121] nghiên cứu.
- Polymer sinh học làm khuôn mềm: Việc sử dụng chitin/chitosan [20, 29, 48, 58, 61, 98], cellulose [50, 85, 150], dextran [138], peptide [69], tinh bột [58, 146] để định hướng tinh thể oxide kim loại đã được triển khai, song KGM vẫn chưa được ứng dụng phổ biến [136].
- Phản ứng Friedel-Crafts và Cảm biến khí: Lịch sử phản ứng thế ái điện tử Friedel-Crafts từ năm 1877 [64, 103] và các nghiên cứu xúc tác dị thể thay thế acid đồng thể [12, 30, 32, 113]. Cơ chế oxy hóa khử (redox) trên xúc tác chứa kim loại chuyển tiếp được Cseri và cộng sự [39], Choudhary và cộng sự [30], Đinh Quang Khiếu và cộng sự [4], Nguyễn Đức Cường và cộng sự [42] khảo sát. Cơ chế nhạy khí của oxide bán dẫn dựa trên tương tác bề mặt với oxy hấp phụ và khí dò được đúc kết từ các tài liệu [17, 68, 75, 97, 104, 133, 135, 137].
Khoảng trống luận án giải quyết
Luận án tập trung giải quyết ba khoảng trống học thuật:
- Nâng cao hàm lượng GO trong mạng hydrogel KGM/GO thông qua tối ưu hóa điều kiện tạo gel kiềm hóa bởi $\text{Ca(OH)}_2$ nhằm gia tăng dung lượng hấp phụ phẩm màu xanh methylene và xác lập đầy đủ mô hình nhiệt động, động học hấp phụ.
- Thiết lập quy trình đồng trùng hợp ghép chuỗi KGM-PAA kiểm soát tỷ lệ trương nở, làm rõ mối liên hệ giữa độ trương nở, cấu trúc lỗ rỗng và hiệu suất tải/giải phóng hoạt chất 5-ASA phụ thuộc pH, đồng thời kiểm tra độ phân hủy sinh học bởi enzyme cellulase.
- Sử dụng KGM làm khuôn mềm định hướng cấu trúc để tổng hợp thành công các tấm nano oxide kim loại ($\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$, $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$) xốp, kiểm chứng cơ chế định hướng của polysaccharide và chứng minh hiệu năng thực tế của vật liệu trong cảm biến khí $\text{H}_2\text{S}$ và xúc tác phản ứng benzyl hóa nhân thơm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và mô hình phân tích
- Lý thuyết tạo gel và cấu trúc KGM/GO: Dưới tác dụng của nhiệt độ và môi trường kiềm từ $\text{Ca(OH)}_2$, KGM bị deacetyl hóa, bộc lộ các nhóm -OH tự do để tạo liên kết hydro với các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO. Ion $\text{Ca}^{2+}$ đóng vai trò là cầu nối phối trí giữa các nhóm carboxylate ($-\text{COO}^-\cdots\text{Ca}^{2+}\cdots{}^-\text{OOC}-$) của các phiến GO và liên kết với nhóm -OH của KGM.
- Cơ chế đồng trùng hợp gốc tự do tạo hydrogel KGM-PAA: Sử dụng chất khơi mào cerium ammonium nitrate (CAN, $\text{Ce}^{4+}$) để tạo gốc tự do trên các mắt xích polysaccharide của KGM, từ đó kích hoạt phản ứng trùng hợp các monomer acrylic acid (AA). Chất tạo liên kết chéo $N,N'\text{-methylene-bis-(acrylamide)}$ (MBAA) khâu mạch các nhánh copolymer hình thành mạng lưới ba chiều có khả năng trương nở nhạy pH.
- Cơ chế khuôn mềm định hướng cấu trúc: Các ion kim loại ($\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$) hấp phụ và tạo phức chelate dọc theo mạch KGM. Trong quá trình gia nhiệt và nung, khuôn KGM đóng vai trò giàn giáo định hình dạng tấm xốp trước khi bị phân hủy nhiệt hoàn toàn thành khí ($\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$).
- Mô hình động học và đẳng nhiệt hấp phụ: Sử dụng mô hình động học biểu kiến bậc 1 ($q_t = q_e(1 - e^{-k_1 t})$), bậc 2 ($q_t = \frac{q_e^2 k_2 t}{1 + q_e k_2 t}$), mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($q_e = \frac{q_m K_L C_e}{1 + K_L C_e}$) và Freundlich ($q_e = K_F C_e^{1/n}$).
- Mô hình nhiệt động học: Tính toán $\Delta G^0$, $\Delta H^0$, $\Delta S^0$ thông qua phương trình Van 't Hoff dựa trên sự phụ thuộc của $\ln K_d$ vào $1/T$ ($K_d = q_e / C_e$).
- Cơ chế nhạy khí bán dẫn: Độ hồi đáp $S = R_a / R_g$ (đối với khí khử) dựa trên sự phản ứng giữa khí khử ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{NH}_3$, $\text{CO}$, $\text{H}_2$) với các ion oxy hoạt tính ($\text{O}^-$, $\text{O}_2^-$, $\text{O}^{2-}$) bám trên bề mặt $\text{NiO}$, làm thay đổi độ rộng vùng nghèo hạt tải điện và điện trở màng.
- Cơ chế xúc tác phản ứng Friedel-Crafts: Phản ứng benzyl hóa benzene bằng benzyl chloride trên xúc tác $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ diễn ra theo chu trình oxy hóa khử $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ tạo trung gian benzyl carbocation ($\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2^+$).
Hóa chất và phương pháp thực nghiệm
Luận án sử dụng các hóa chất phân tích chính được tổng hợp trong bảng sau:
| STT |
Tên hóa chất |
Công thức / Ký hiệu |
Hãng sản xuất |
Độ tinh khiết |
| 1 |
Sulfuric acid |
$\text{H}_2\text{SO}_4$ |
Merck |
PA |
| 2 |
Phosphoric acid |
$\text{H}_3\text{PO}_4$ |
Merck |
PA |
| 3 |
Potassium permanganate |
$\text{KMnO}_4$ |
Xilong Scientific |
PA |
| 4 |
Hydroperoxide |
$\text{H}_2\text{O}_2$ |
Xilong Scientific |
$30%$ |
| 5 |
Calcium oxide |
$\text{CaO}$ |
Xilong Scientific |
PA |
| 6 |
Graphite |
C |
Xilong Scientific |
PA |
| 7 |
Xanh methylene |
MB |
Xilong Scientific |
PA |
| 8 |
$N,N'\text{-methylene-bis-(acrylamide)}$ |
$\text{MBAA } (\text{C}7\text{H}{10}\text{N}_2\text{O}_2)$ |
Xilong Scientific |
PA |
| 9 |
Cerium ammonium nitrate |
$\text{CAN } ((\text{NH}_4)_2\text{Ce(NO}_3)_6)$ |
Xilong Scientific |
PA |
| 10 |
5-Aminosalicylic acid |
$5\text{-ASA}$ |
Xilong Scientific |
PA |
| 11 |
Enzyme cellulase |
Cellulase |
Xilong Scientific |
$400\text{ U/g}$ |
| 12 |
Cobalt(II) nitrate hexahydrate |
$\text{Co(NO}_3)_2\cdot6\text{H}_2\text{O}$ |
Sigma-Aldrich |
AR |
- Quy trình tổng hợp thực tế:
- Graphene oxide (GO): $1{,}5\text{ g}$ graphite được oxy hóa bằng hỗn hợp $20\text{ mL }\text{H}_3\text{PO}_4 + 180\text{ mL }\text{H}_2\text{SO}_4\text{ }98%$ và $9\text{ g }\text{KMnO}_4$, khuấy từ trong 3 ngày; dừng phản ứng bằng $50\text{ mL }\text{H}_2\text{O}_2\text{ }20%$, rửa bằng $\text{HCl }1\text{M}$ và nước cất đến khi dịch rửa đạt $\text{pH } 4 - 5$, sau đó phân tán bằng siêu âm trong $2\text{ giờ}$ để tách lớp GO.
- Hydrogel KGM/GO: Phối trộn dung dịch KGM ($70\text{ mL}$, ngâm $24\text{ giờ}$) và huyền phù GO ($20\text{ mL}$, siêu âm $2\text{ giờ}$), thêm $10\text{ mL}$ huyền phù $\text{Ca(OH)}_2$ ($50\text{ mg CaO}/10\text{ mL }\text{H}_2\text{O}$), thực hiện phản ứng ở nhiệt độ $55 - 100\text{ }^\circ\text{C}$ trong $6 - 12\text{ giờ}$, rửa loại bỏ ion $\text{Ca}^{2+}$ tự do (thử bằng $\text{Na}_2\text{CO}_3$) và đông khô.
- Hydrogel KGM-PAA: $0{,}162\text{ g}$ KGM phân tán trong $20\text{ mL}$ nước, đun $60\text{ }^\circ\text{C}$ trong $30\text{ phút}$, thêm CAN, AA, MBAA theo tỷ lệ định trước, sục khí $\text{N}_2$ trong $15 - 20\text{ phút}$, khuấy $10\text{ phút}$, ủ nhiệt, rửa nước cất và đông khô.
- Tấm nano oxide kim loại: Hấp phụ dung dịch muối $\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$ vào dung dịch KGM, khuấy tạo phức đồng thể $\text{M-KGM}$, sấy khô và nung phân hủy khuôn ở dải nhiệt độ $300 - 600\text{ }^\circ\text{C}$ với tốc độ gia nhiệt từ $2 - 15\text{ }^\circ\text{C/phút}$.
Phương pháp phân tích và đặc trưng hóa lý
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (TEM, HR-TEM).
- Nhiễu xạ tia X (XRD) và nhiễu xạ electron vùng chọn lọc (SAED).
- Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX).
- Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và quang phổ Raman.
- Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – khử hấp phụ $\text{N}_2$ (BET/BJH).
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt vi sai (TGA/DTA).
- Quang phổ hấp thụ phân tử tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) xác định nồng độ MB ($\lambda_{\max} = 663\text{ nm}$) và nồng độ 5-ASA.
- Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) phân tích các sản phẩm benzyl hóa nhân thơm.
- Phương pháp thêm chất rắn (solid addition method) với dung dịch $\text{NaCl }0{,}1\text{M}$ để xác định điểm đẳng điện ($\text{pH}_{i.p}$).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan tài liệu
Chương này tổng hợp cơ sở lý luận về cấu trúc phân tử, tính chất lý hóa của glucomannan nguồn gốc từ cây Amorphophallus konjac (tỷ lệ monome $\text{mannose} : \text{glucose} = 1{,}6:1$, liên kết $\beta\text{-1,4-glycoside}$, mức độ acetyl hóa). Chương 1 phân tích cơ chế hình thành của các hệ hydrogel thông thường và hydrogel nhạy môi trường ("thông minh"), vai trò gia cường cơ tính và diện tích bề mặt của graphene oxide khi kết hợp với polysaccharide. Đồng thời, chương này tổng quan về phương pháp khuôn mềm sử dụng polymer sinh học, nguyên lý hoạt động của cảm biến khí oxide bán dẫn bề mặt và cơ chế xúc tác alkyl hóa/benzyl hóa Friedel-Crafts theo trường phái acid Lewis cổ điển đối chiếu với cơ chế oxy hóa khử.
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất, nguồn nguyên liệu, các bước tổng hợp graphene oxide, hydrogel KGM/GO, hydrogel KGM-PAA và các tấm nano oxide kim loại ($\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$, $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$). Chương này mô tả các công thức tính toán và thiết kế thí nghiệm:
- Công thức tính dung lượng hấp phụ cân bằng $q_e = \frac{(C_0 - C_e)V}{m}$.
- Phương pháp xác định điểm đẳng điện $\text{pH}_{i.p}$ qua giao điểm đường $\Delta \text{pH} = \text{pH}_f - \text{pH}_i = 0$.
- Mô hình hồi quy phi tuyến tính Solver cho động học bậc 1, bậc 2 và đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich.
- Công thức tính tỷ lệ trương nở (SR), độ rỗng, độ phân hủy sinh học (DR) bởi cellulase.
- Quy trình đo cảm biến khí với buồng đo điện trở ở nhiệt độ cao và quy trình thử hoạt tính xúc tác benzyl hóa benzene/toluene bằng benzyl chloride qua thiết bị GC-MS.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Chương 3 là phần thực nghiệm trọng tâm, được triển khai thành 3 hợp phần chính:
1. Tổng hợp, đặc trưng hydrogel KGM/GO và ứng dụng hấp phụ xanh methylene (MB)
- Điều kiện tổng hợp tối ưu: Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng GO ($0 - 30%$), nhiệt độ ($55 - 100\text{ }^\circ\text{C}$) và thời gian ($6 - 12\text{ giờ}$). Mẫu vật liệu ký hiệu KGM/GO-15 (chứa $15%$ GO theo khối lượng, tổng hợp ở $95\text{ }^\circ\text{C}$ trong $8\text{ giờ}$) đạt dung lượng hấp phụ MB cao nhất.
- Đặc trưng cấu trúc: Phổ FT-IR và XRD chứng minh sự mất nhóm acetyl của KGM trong môi trường kiềm, hình thành liên kết phối trí với $\text{Ca}^{2+}$ và liên kết hydro với GO. Ảnh SEM thể hiện cấu trúc xốp không gian ba chiều với các phiến GO phân tán đều trong nền polymer. Phổ Raman xác nhận các dải pic D và G của GO trong cấu trúc composite.
- Đặc trưng hấp phụ: Điểm đẳng điện của vật liệu được xác định tại $\text{pH}{i.p}$. Quá trình hấp phụ đạt hiệu suất cao trong môi trường $\text{pH} > \text{pH}{i.p}$ do bề mặt tích điện âm, tạo lực hút tĩnh điện mạnh với cation MB.
- Động học và Đẳng nhiệt: Quá trình hấp phụ MB tuân theo mô hình động học bậc hai biểu kiến và mô hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số tương quan $R^2$ cao.
- Nhiệt động học: Giá trị $\Delta G^0 < 0$ chứng minh quá trình hấp phụ diễn ra tự phát. Giá trị $\Delta H^0$ và $\Delta S^0$ thu được từ đồ thị $\ln K_d$ theo $1/T$ phản ánh bản chất quá trình hấp phụ.
- Khả năng tái sử dụng: Sau khi giải hấp bằng methanol qua 6 lần rửa, vật liệu KGM/GO-15 duy trì tốt dung lượng hấp phụ sau 5 chu kỳ tái sử dụng liên tiếp.
2. Tổng hợp, đặc trưng hydrogel KGM-PAA và ứng dụng hấp thu – giải hấp 5-ASA
- Khảo sát điều kiện tổng hợp: Nghiên cứu tỷ lệ mol $\text{MBAA} : \text{KGM}$, hàm lượng monomer AA, thời gian và nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ trương nở (SR) của hydrogel. Mẫu hydrogel tối ưu (ký hiệu M5) thể hiện cấu trúc lỗ xốp đồng đều trên ảnh SEM.
- Tính chất nhạy pH và phân hủy sinh học: Tỷ lệ trương nở của hydrogel trong môi trường kiềm mô phỏng dịch ruột ($\text{SIF}, \text{pH} = 7{,}4$) cao hơn nhiều so với trong môi trường acid mô phỏng dịch dạ dày ($\text{SGF}, \text{pH} = 1$). Nguyên nhân do các nhóm $-\text{COOH}$ của mạch PAA bị khử proton thành ion mang điện âm $-\text{COO}^-$, tạo lực đẩy tĩnh điện làm giãn mạng lưới gel.
- Mẫu M5 bị phân hủy sinh học có kiểm soát theo thời gian dưới tác dụng của enzyme cellulase ở các nồng độ khác nhau.
- Hấp thu và giải phóng 5-ASA: Dược chất 5-ASA được nạp vào mạng hydrogel M5. Tại $\text{pH} = 1$, gel co cuộn giữ thuốc bên trong; khi chuyển sang môi trường $\text{pH} = 7{,}4$, gel trương nở mạnh và giải phóng 5-ASA với tỷ lệ cao, chứng minh khả năng định hướng thuốc nhắm mục tiêu đại tràng.
3. Sử dụng KGM làm chất nền định hướng cấu trúc tổng hợp tấm nano oxide kim loại và ứng dụng
- Cơ chế định hướng cấu trúc: Sự tạo phức chelate giữa các ion kim loại $\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$ với các nhóm -OH trên chuỗi polysaccharide KGM ngăn ngừa sự kết tụ tự phát. Khi nung, KGM bị nhiệt phân dần dần, tạo thành khuôn mềm hỗ trợ phát triển các tinh thể oxide kim loại liên kết thành dạng tấm xốp hai chiều.
- Tối ưu hóa tổng hợp: Khảo sát nồng độ dung dịch muối nitrate kim loại ($0{,}01 - 1{,}0\text{ M}$), thể tích dung dịch muối, nhiệt độ nung ($300 - 600\text{ }^\circ\text{C}$) và tốc độ gia nhiệt ($2 - 15\text{ }^\circ\text{C/phút}$).
- Đặc trưng cấu trúc: Giản đồ XRD và ảnh HR-TEM/SAED khẳng định sự tạo thành các pha tinh thể tinh khiết của $\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$ (cấu trúc lập phương) và $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ (cấu trúc hematite lục lăng). Ảnh SEM và TEM xác nhận cấu trúc dạng tấm mỏng có độ xốp mao quản phân bố đều. Phổ đẳng nhiệt khử hấp phụ nitơ BET/BJH chứng minh diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp tối ưu.
- Ứng dụng cảm biến khí của nano $\text{NiO}$ dạng tấm: Cảm biến $\text{NiO}$ thể hiện độ đáp ứng ($S = R_a/R_g$) cao vượt trội đối với khí độc $\text{H}_2\text{S}$ tại nhiệt độ tối ưu $250\text{ }^\circ\text{C}$ so với các khí $\text{NH}_3$, $\text{CO}$, $\text{H}_2$. Cảm biến có thời gian đáp ứng và hồi phục nhanh, giới hạn phát hiện thấp và độ lặp lại ổn định sau 4 tháng bảo quản.
- Ứng dụng xúc tác của nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ dạng tấm: Tấm nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ đóng vai trò xúc tác dị thể cho phản ứng benzyl hóa benzene và toluene bằng benzyl chloride. Khảo sát thời gian phản ứng, khối lượng xúc tác và tỷ lệ mol các chất phản ứng cho thấy xúc tác đạt độ chuyển hóa benzyl chloride cao và độ chọn lọc sản phẩm diphenylmethane (DPM) vượt trội, hoạt động theo cơ chế chu trình oxy hóa khử $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Đã nghiên cứu có hệ thống và làm sáng tỏ cơ chế tương tác đa thành phần giữa polysaccharide konjac glucomannan với graphene oxide dưới tác động xúc tác kiềm và cầu nối ion $\text{Ca}^{2+}$, giải thích được sự gia tăng độ bền cơ lý và khả năng hấp phụ của composite KGM/GO.
- Thiết lập được quy luật tương quan giữa tỷ lệ tác nhân khâu mạch MBAA, monomer acrylic acid với tỷ lệ trương nở và độ rỗng của hydrogel KGM-PAA; làm sáng tỏ cơ chế trương nở phụ thuộc pH và động học giải phóng hoạt chất 5-ASA kết hợp quá trình phân hủy sinh học bởi enzyme.
- Đề xuất và chứng minh thành công phương pháp mới sử dụng KGM làm chất nền định hướng cấu trúc (khuôn mềm sinh học) để tổng hợp các vật liệu nano oxide kim loại dạng tấm xốp ($\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$, $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$), làm rõ cơ chế tạo phức kim loại - polymer và quá trình hình thành tinh thể nano qua phân tích nhiệt và cấu trúc.
- Góp phần làm sáng tỏ cơ chế xúc tác dị thể của nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ trong phản ứng Friedel-Crafts benzyl hóa benzene theo cơ chế oxy hóa khử thay cho cơ chế acid Lewis truyền thống.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Chế tạo thành công vật liệu hấp phụ KGM/GO-15 có dung lượng hấp phụ phẩm màu hữu cơ xanh methylene cao, tách loại dễ dàng và tái sinh hiệu quả sau nhiều chu kỳ bằng methanol.
- Chế tạo thành công hệ mang thuốc hydrogel nhạy pH KGM-PAA (mẫu M5) có khả năng bảo vệ hoạt chất 5-ASA qua môi trường acid dạ dày và giải phóng chọn lọc tại đại tràng.
- Chế tạo vật liệu cảm biến khí $\text{NiO}$ dạng tấm có độ chọn lọc và độ nhạy cao đối với khí $\text{H}_2\text{S}$ ở $250\text{ }^\circ\text{C}$ với độ bền đo lường ổn định.
- Ứng dụng thành công tấm nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ làm xúc tác rắn tái sử dụng cho phản ứng benzyl hóa nhân thơm tạo các hợp chất diarylmethane.
Kiến nghị và đề xuất
- Cần mở rộng quy trình tổng hợp KGM/GO và KGM-PAA sang quy mô pilot để đánh giá khả năng thương mại hóa.
- Cần tiếp tục nghiên cứu cơ chế giải hấp và thử nghiệm hệ hydrogel mang thuốc trên các mô hình tế bào và động vật sống (in vivo).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Nghiên cứu hấp phụ xanh methylene mới chỉ thực hiện trên dung dịch đơn thành phần trong điều kiện phòng thí nghiệm, chưa đánh giá ảnh hưởng cạnh tranh của các cation kim loại nặng hay các chất hữu cơ phức tạp trong nước thải thực tế.
- Khảo sát giải hấp và phân phối thuốc 5-ASA mới dừng lại ở mô hình dịch dạ dày và ruột nhân tạo (in vitro), chưa triển khai các thử nghiệm tiền lâm sàng trên cơ thể sống.
- Phản ứng benzyl hóa và cảm biến khí chưa khảo sát toàn diện tuổi thọ xúc tác và độ bền cảm biến trong điều kiện làm việc liên tục ở quy mô công nghiệp.
Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Mở rộng ứng dụng của hydrogel KGM/GO để xử lý các nguồn nước thải công nghiệp đa thành phần chứa ion kim loại phóng xạ và hỗn hợp thuốc nhuộm.
- Tiến hành thử nghiệm dược động học in vivo trên mô hình động vật đối với hệ dẫn thuốc KGM-PAA tải 5-ASA.
- Mở rộng phương pháp khuôn mềm KGM để tổng hợp các hệ oxide kim loại phức hợp khác phục vụ lưu trữ năng lượng (pin, siêu tụ điện) và quang xúc tác xử lý môi trường.
Giá trị tham khảo
Luận án cung cấp nguồn tư liệu khoa học thực nghiệm có giá trị cho các đối tượng và lĩnh vực cụ thể:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Hóa học, Khoa học Vật liệu: Tham khảo quy trình chế tạo composite polymer sinh học, phương pháp khuôn mềm polysaccharide để tạo cấu trúc nano hai chiều, cùng các kỹ thuật tính toán động học, đẳng nhiệt và nhiệt động học hấp phụ.
- Giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ Dược – Y sinh: Sử dụng số liệu về tính chất nhạy pH, tỷ lệ trương nở và cơ chế phân hủy sinh học của KGM-PAA để phát triển các hệ thống phân phối thuốc nhắm mục tiêu đại tràng qua đường uống.
- Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật ngành Môi trường, Cảm biến và Hóa dầu: Ứng dụng các quy trình tổng hợp vật liệu hấp phụ xanh, màng cảm biến khí độc $\text{H}_2\text{S}$ và xúc tác dị thể rắn thay thế xúc tác acid lỏng ăn mòn trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao việc bổ sung $15%$ graphene oxide vào mạng hydrogel KGM lại tối ưu hóa dung lượng hấp phụ xanh methylene?
Hàm lượng GO $15%$ (mẫu KGM/GO-15) tạo ra sự cân bằng cấu trúc tối ưu giữa độ xốp của mạng lưới KGM và mật độ các nhóm chức chứa oxy (carboxyl, epoxy, hydroxyl) trên bề mặt GO. Khi hàm lượng GO thấp hơn, số lượng tâm hấp phụ tích điện âm không đủ lớn; khi hàm lượng GO quá cao ($> 15%$), các phiến GO có xu hướng kết tụ làm giảm diện tích tiếp xúc hiệu dụng và cản trở sự khuếch tán của các phân tử MB vào sâu bên trong mạng gel.
2. Cơ chế nào giúp hydrogel KGM-PAA bảo vệ thuốc 5-ASA ở dạ dày và giải phóng tại ruột kết?
Ở môi trường dạ dày ($\text{pH } 1 - 2$), các nhóm $-\text{COOH}$ của chuỗi poly(acrylic acid) không bị ion hóa, mạng polymer co cụm chặt chẽ và không có enzyme phân giải KGM, làm giảm thiểu tỷ lệ trương nở và giữ thuốc bên trong. Khi đến đại tràng ($\text{pH } \sim 7{,}4$), các nhóm $-\text{COOH}$ chuyển thành $-\text{COO}^-$, lực đẩy tĩnh điện làm gel trương nở cực đại, đồng thời enzyme vi sinh đường ruột ($\beta\text{-mannanase}$ hoặc cellulase) phân hủy liên kết glycoside của mạch KGM, dẫn đến sự phóng thích chọn lọc hoạt chất 5-ASA.
3. Konjac glucomannan đóng vai trò cụ thể gì trong quá trình tổng hợp tấm nano oxide kim loại?
KGM đóng vai trò là chất nền định hướng cấu trúc (khuôn mềm). Chuỗi polymer KGM chứa các nhóm hydroxyl (-OH) liên kết phối trí với các cation kim loại ($\text{Co}^{2+}$, $\text{Ni}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$), phân tán đều ion kim loại trong không gian mạng lưới và ngăn ngừa sự kết tụ hạt. Khi nung ở nhiệt độ cao, khung KGM phân hủy giải phóng khí, để lại cấu trúc oxide kim loại dạng tấm mỏng với độ xốp mao quản cao.
4. Hiệu năng cảm biến khí $\text{H}_2\text{S}$ của tấm nano $\text{NiO}$ được quyết định bởi những yếu tố nào?
Cấu trúc dạng tấm xốp với diện tích tiếp xúc bề mặt riêng lớn cung cấp nhiều vị trí hấp phụ oxy. Ở nhiệt độ tối ưu $250\text{ }^\circ\text{C}$, các phân tử khí khử $\text{H}_2\text{S}$ tương tác nhanh với các ion oxy hoạt tính ($\text{O}^-$) trên bề mặt hạt nano $\text{NiO}$, nhả lại electron cho chất bán dẫn và làm thay đổi điện trở màng một cách rõ rệt ($S = R_a/R_g$), đồng thời cho thấy độ chọn lọc cao so với $\text{NH}_3$, $\text{CO}$ và $\text{H}_2$.
5. Phản ứng benzyl hóa benzene trên xúc tác tấm nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ diễn ra theo cơ chế nào?
Phản ứng diễn ra theo cơ chế oxy hóa khử (redox). Cation $\text{Fe}^{3+}$ trên bề mặt tinh thể nano $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$ tương tác với benzyl chloride ($\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{Cl}$) tạo thành gốc trung gian $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2^+$ và ion $\text{Fe}^{2+}$. Sau đó, carbocation benzyl tấn công vào nhân benzene tạo thành hợp chất diphenylmethane (DPM), giải phóng $\text{HCl}$ và hoàn nguyên ion $\text{Fe}^{3+}$.
Kết luận
Luận án tiến sĩ đã phát triển thành công các hệ vật liệu mới trên cơ sở polymer sinh học konjac glucomannan, bao gồm hydrogel KGM/GO hấp phụ phẩm màu hữu cơ, hydrogel nhạy pH KGM-PAA phân phối thuốc nhắm đích và các tấm nano oxide kim loại xốp ($\text{Co}_3\text{O}_4$, $\text{NiO}$, $\alpha\text{-Fe}_2\text{O}_3$) thông qua phương pháp khuôn mềm. Các kết quả thực nghiệm đã làm sáng tỏ cấu trúc hóa lý, cơ chế tương tác phân tử, động học hấp phụ, cơ chế nhạy khí $\text{H}_2\text{S}$ và cơ chế xúc tác benzyl hóa nhân thơm theo hướng oxy hóa khử. Công trình cung cấp các dẫn liệu khoa học có độ tin cậy cao, mở ra hướng ứng dụng các nguồn polysaccharide tự nhiên vào các lĩnh vực vật liệu xử lý môi trường, y dược học và công nghệ hóa chất.
