MỞ ĐẦU Trong những thập kỉ gần đây, nhiều ngành khoa học – kĩ thuật đã có những bước phát triển vượt bậc, khoa học vật liệu cũng không phải là ngoại lệ. Vật liệu y sinh cũng đang từng bước phát triển với sự kết hợp của những phát triển đi trước như các định luật vật lý, hóa học, sinh học nhằm nâng cao chất lượng và đáp ứng nhu cầu, cũng như mở rộng hơn với mục đích hướng đến sức khỏe con người. Hydrogel được nhắc đến như 1 vật liệu mang những đặc tính vượt trội được áp dụng cho các ngành dược phẩm và y học với những ứng dụng trong kỹ thuật mô, vận chuyển thuốc, băng bó và chữa lành vết thương. Trong bài này, hydrogel dựa trên nền gelatin được gắn với tyramine và 4-hydroxyphenylacetic acid bằng phương pháp điều chế đơn giản không sử dụng dung môi hữu cơ.
Vật liệu hydrogel này được kỳ vọng sẽ mang lại những hiệu quả trong lĩnh vực vật liệu y sinh như mang nhả thuốc và khả năng chữa lành vết thương trong tái tạo mô. Tổng quan về hydrogel 1. Định nghĩa Hydrogel là 1 loại polymer có chứa các liên kết ngang. Do đặc tính hút nước tự nhiên, hydrogel có thể hấp thu 1 lượng nước lớn hơn rất nhiều lần so với khối lượng.
Những vật liệu này mang lại tính ổn định vật lý, hóa học và cơ học khá cao khi đang tồn tại ở trạng thái trương nở [3]. Ngoài ra, hydrogel còn được coi là 1 dạng của vật liệu thông minh, nó có thể thay đổi cấu trúc khi thay đổi các thông số như nồng độ muối, pH và nhiệt độ. Cấu tạo Hydrogel là một loại vật liệu ưa nước có cấu trúc cao phân tử, có mạng lưới 3 chiều và khả năng hấp thu nước đến khi đạt cấu trúc ổn định. Hydrogel có tính trương nở đẳng hướng và có thể được điều chế từ polymer tự nhiên hay polymer tổng hợp có khả năng tan trong nước.
Vì tính chất cơ học và tính chất hóa lý của hydrogel có thể rất tương đồng với mô sinh học nên hydrogel được xem như là 1 loại vật liệu sinh học, ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh. Hydrogel gồm nhiều nhóm ưa nước như nhóm amino, carboxyl và hydroxyl … nên các nhóm này mang lại khả năng hấp thu nước của hydrogel. Trạng thái cơ bản của hydrogel là sự dãn nở thể tích để đáp ứng lại các liên kết hydro với nước và sự solvat hóa của các nhóm ưa nước. Vì thế hydrogel có thể giữ lại hình dáng và tránh được sự solvat nhờ vào các thành phần đã tạo liên kết ngang.
Các thành phần này được tạo thành nhờ vào tương tác tĩnh điện, tương tác Van der Waals và tương tác kị nước. Hydrogel poly(natri propenoate) và phân tử nước liên kết nhau bằng liên kết hydro 1. Đặc tính Khả năng chứa nước và tính thấm là hai đặc tính quan trọng nhất của hydrogel. Mạng lưới polymer có xu hướng hấp thu thêm nước do lực thẩm thấu.
Điều này làm hydrogel trương nở thêm và bị chống lại bởi các liên kết ngang vật lý, dẫn đến hydrogel có thể bị co rút. Vì vậy, hydrogel sẽ đạt tới trạng thái trương nở cân bằng. Sau khi đã trương nở, tùy thuộc vào bản chất và thành phần của hydrogel, nó sẽ hướng đến sự phân hủy hoặc tan rã nếu mạng lưới polymer hoặc các liên kết ngang có khả năng đó. Hydrogel phân hủy sinh học là hydrogel có chứa các liên kết không bền, có khả năng bị phân hủy, do ưu điểm này mà hydrogel phân hủy sinh học được ứng dụng trong công nghệ mô, chữa lành vết thương và vận chuyển thuốc.
Các liên kết không bền này có thể bị phá hủy trong điều kiện sinh lý, có hoặc không có hiện diện của enzyme hay các tác nhân phân hủy hóa học nhưng nhìn chung là do sự thủy phân. [4] Tương hợp sinh học là đặc tính quan trọng tiếp theo của hydrogel. Tương hợp sinh học là tương hợp với hệ miễn dịch của cơ thể, ngoài ra các sản phẩm sau khi hydrogel 4 phân hủy không được chứa độc tính. Trong các trường hợp lý tưởng, các sản phẩm này sẽ vô hại sau khi trao đổi chất với cơ thể hoặc có thể được bài tiết thông qua các quá trình lọc bằng thận.
Nói chung, hydrogel sở hữu sự tương hợp sinh học tốt vì bề mặt thấm ướt có năng lượng tự do thấp khi tương tác với dịch cơ thể. Hơn nữa, bản chất mềm và dẻo của hydrogel giảm tối đa sự kích thích với mô xung quanh. [4] Các liên kết ngang giữa các chuỗi polymer khác nhau đưa đến đặc tính đàn nhớt và đôi khi là đặc tính đàn hồi thuần túy. Hydrogel sỡ hữu một mức độ linh hoạt tương tự như mô tự nhiên do khả năng chứa nước rất đáng kể.
Ngoài ra, tính chất hóa học của hydrogel vẫn có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh mức độ phân cực, tính chất bề mặt, tính chất cơ học và trạng thái trương nở. [4] Hydrogel gọi là hydrogel lý tưởng khi mang các tính chất như khả năng hấp thu cực đại, giá thành thấp, ít tan, ít sản phẩm phụ, bền và ổn định trong môi trường trương nở và suốt thời gian bảo quản, pH trung tính sau khi trương nở trong nước, mức đô phân hủy sinh học cao mà không tạo ra bất kỳ sản phẩm nào có hại khi phân hủy, không màu, không mùi, bền ánh sáng và tuyệt đối không độc hại. [5] Hydrogel không thể nào có được toàn bộ những ưu điểm trên. Thực tế, khi thành phần tổng hợp để đạt được tối đa ưu điểm này thì lại dẫn đến làm giảm hiệu quả của các ưu điểm khác.
Vì vậy trong thực nghiệm, các thông số đặc điểm cần được tối ưu hóa để thu được kết quả cân bằng giữa các đặc điểm cho từng mục đích sử dụng xác định. Ví dụ như hydrogel sử dụng trong vận chuyển thuốc phải có nhiều lỗ xốp trong cấu trúc, nhạy cảm với cả pH và nhiệt độ. Tổng hợp hydrogel Nhìn chung, để tổng hợp nên 1 hydrogel bao gồm 3 phần: monomer, chất khơi mào và chất tạo liên kết ngang. Để điều chỉnh sự tỏa nhiệt của quá trình trùng hợp và tính chất cuối cùng của hydrogel, người ta sử dụng chất pha loãng như nước hoặc các dung dịch khác.
Sau khi tổng hợp, khối hydrogel cần được làm sạch tạp chất trong quá trình 5 tổng hợp như các monomer dư chưa phản ứng, chất khơi màu, chất tạo liên kết ngang và cả các sản phẩm sinh ra từ phản ứng phụ. [6] Tính chất của hydrogel có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các yếu tố tổng hợp như thiết bị phản ứng, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, loại monomer, loại chất tạo liên kết ngang, tỉ lệ chất tạo liên kết ngang: monomer, nồng độ monomer và nồng độ chất khơi mào. Quá trình tổng hợp hydrogel [6] Hydrogel được chia thành 2 loại chủ yếu: hydrogel hình thành từ liên kết ngang vật lý và liên kết ngang hóa học. Nhiều phương pháp tạo liên kết ngang khác nhau sẽ dẫn đến sự khác nhau về tính chất của hydrogel.
Phương pháp vật lý Liên kết ngang vật lý trong chuỗi polymer có thể hình thành nhờ các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ, lực ion. Ưu điểm của phương pháp là không sử dụng các tác nhân tạo liên kết ngang hóa học, điều này hạn chế độc tính của hydrogel nếu được dùng trong dược phẩm hay vật liệu y sinh. 6 - Tạo liên kết ngang vật lý bằng cách gia nhiệt hoặc làm lạnh dung dịch polymer: [4] Hydrogel với liên kết ngang vật lý được hình thành khi làm lạnh dung dịch nóng của gelatin hay carrageenan. Sự hình thành gel xảy ra do bởi sự hình thành các chuỗi xoắn ốc hay sự liên hợp giữa các chuỗi xoắn ốc.
Sự hình thành hydrogel do sự kết tụ các chuỗi xoắn ốc khi làm lạnh dung dịch carrageenan nóng Carrageenan trong dung dịch có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy sẽ tồn tại ở dạng cuộn ngẫu nhiên. Khi có mặt của muối (K+, Na+ …), các ion này làm xuất hiện màn chắn lực đẩy của nhóm sulphonic (SO3–), các chuỗi xoắn ốc này sẽ kết tụ lại tạo gel bền. Trong một số trường hợp, hydrogel có thể thu được bằng cách đơn giản hơn là làm ấm dung dịch polymer như polyethylene oxide-polypropylene oxide hydrogel và polyethylene glycol-polylactic acid hydrogel. - Tạo liên kết ngang vật lý bằng tương tác ion: [4] Dung dịch polymer có thể tạo liên kết ngang bằng cách thêm vào các ion đối hóa trị hai hoặc ba.
Phương pháp này làm cơ sở cho lý thuyết gel hóa dung dịch của chất đa điện phân (như Na+ alginate-) với ion đa hóa trị có điện tích đối nghịch (như Ca2+ và 2Cl-). Một số ví dụ khác như chitosan-polylysine hydrogel, chitosan-glycerol phosphate hydrogel và chitosan-dextran hydrogel. Sự hình thành hydrogel thông qua tương tác ion giữa ion âm trên alginate (COO-) và ion kim loại hóa trị hai (Ca2+). Ngoài ra theo phương pháp này, sự phân hủy sinh học hydrogel có thể xảy ra như sự phân ly ion trong ngoại bào, phá vỡ mạng lưới liên kết ngang.
- Tạo liên kết ngang vật lý bằng giọt tụ phức chất [4] Phương pháp giọt tụ phức chất hình thành nên hydrogel khi có sự kết hợp giữa polymer đa ion âm và polymer đa ion dương. Cơ sở của phương pháp này là những polymer với điện tích trái dấu sẽ có xu hướng dính vào nhau, tạo nên phức tan hoặc không tan phụ thuộc nào nồng độ hay pH của dung dịch. Ví dụ cho trường hợp này là sự giọt tụ giữa xanthan như một polymer đa ion âm và chitosan như một polymer đa ion dương. Những protein có điểm đẳng điện thấp thường tích điện dương và có thể liên hợp với những chất keo ưa nước tích điện âm, tạo nên phức hydrogel đa ion.
Sự giọt tụ giữa polymer đa ion âm và polymer đa ion dương tạo phức hydrogel 8 - Tạo liên kết ngang vật lý bằng liên kết hydro [4] Sự hình thành hydrogel bằng liên kết hydro có thể thu được bằng các hạ thấp pH của dung dịch polymer có chứa nhóm carboxyl. Ví dụ như CMC hydrogel (carboxymethyl cellulose) thu được bằng cách phân tán CMC vào dung dịch HCl 0. Cơ chế được mô tả khi đưa CMC vào dung dịch, natri trong CMC được thay thế bằng hydro trong dung dịch acid để xúc tiến hình thành liên kết hydro. Liên kết hydro hình thành càng nhiều trong dung dịch dẫn đến sự giảm độ tan của CMC trong nước.
Từ đó, CMC hydrogel mang đặc tính dẻo được hình thành.