CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về Hydrogel 1. Giới thiệu Hydrogel là một sản phẩm thuộc nhóm các vật liệu polymer. Cấu trúc ưa nước trên mạch phân tử hydrogel cho phép chúng có khả năng giữ một lượng lớn nước trong mạng lưới ba chiều của mình.
Qua nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học xác định hydrogel bằng nhiều cách khác nhau. Trong đó, những định nghĩa phổ biến nhất phải kể đến như là hydrogel có tính trương nở trong nước và mạng lưới liên kết ngang trong mạch phân tử hydrogel có thể tiến hành một cách đơn giản trên các phân tử của monomers. Một định nghĩa đơn giản khác cho hydrogel là nó có thể là một hợp chất polymer mà có khả năng trương nở và giữ một lượng lớn nước trong cấu trúc của chính nó nhưng sẽ không hòa tan trong nước. Trong hơn 50 năm qua hydrogel luôn nhận được những sự chú ý lớn bởi khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau.
Chúng có độ linh hoạt và tương thích lớn với các tế bào sống bởi lượng nước lớn trong mạng cấu trúc của mình [2]. Mạch polymer Nước Hình 1. Sự trương nở của hydrogel Khả năng hấp thụ nước của hydrogel tăng lên nhờ vào những nhóm chức ưa nước được gắn trên mạch phân tử polymer, trong khi đó việc xuất hiện càng nhiều mạch liên kết ngang trong phân tử lại càng làm gia tăng trở ngại cho quá trình hòa tan của chúng. Có rất nhiều hợp chất kể cả tự nhiên và tổng hợp đáp ứng được những điều kiện này về hydrogel.
1 Trong nhiều thập kỷ qua, các loại hydrogel tự nhiên dần dần được thay thế bằng hydrogel tổng hợp bởi những hydrogel này có chu kỳ sử dụng lâu và có khả năng hấp thụ lượng nước lớn hơn. Bên cạnh đó, các hydrogel tổng hợp có cấu trúc được xác định rõ, do đó có thể tiến hành các chỉnh sửa để loại bỏ hoặc thêm vào các nhóm chức khác nhau. Hydrogel có thể được tạo thành hoàn toàn từ các thành phần tổng hợp và cũng có thể bền vững trong các khoảng nhiệt độ dao động mạnh [2]. Cho đến gần đây, hydrogel được chỉ định rõ là hệ thống hai hay nhiều thành phần bao gồm các chuỗi polymer tồn tại dưới một mạng lưới không gian ba chiều mà nước có thể lấp đầy vào khoảng trống giữa các thành phần vi mô.
Tùy thuộc vào tính chất của polymer được sử dụng cũng như mật độ của mạng lưới kết nối mà hydrogel có thể chứa được những lượng nước khác nhau, điển hình cho điều này là tính chất trương nở của chúng, một hydrogel càng trương nở tốt thì khối lượng nước của hydrogel thường cao hơn rất nhiều so với khối lượng thực của polymer. Trong thực tế, để đạt được một mức độ trương nở cao, người ta thường sử dụng các loại polymer có khả năng hòa tan trong nước khi ở trạng thái chưa hình thành liên kết chéo [2]. Phân loại hydrogel Các sản phẩm hydrogel có thể được phân loại dựa trên những tiêu chí khác nhau. Phân loại dựa vào nguồn gốc: hydrogel có thể được chia thành hai nhóm bao gồm tự nhiên và tổng hợp [3].
Phân loại dựa trên thành phần trong mạch polymer bao gồm Homopolymetric hydrogel, Copolymetric hydrogel và Multipolymer Interpenetrating polymetric hydrogel (IPN). Trong đó Homopolymetric hydrogel là một mạng phân tử polymer có nguồn gốc từ một loại monomer duy nhất. Copolymetric hydrogel là hydrogel cấu tạo từ hai hoặc nhiều monomer với ít nhất một thành phần có tính ưa nước. Cuối cùng Multipolymer Interpenetrating polymetric hydrogel (IPN) là một phân nhóm quan trọng của hydrogel, trong đó một thành phần là polymer có khả năng tạo liên kết chéo và một thành phần khác là một polymer không tạo liên kết chéo.
Phân loại dựa vào cấu dạng: kiểu phân loại này dựa trên cấu trúc vật lý và thành phần hóa học của polymer bao gồm: amorphous (non-crystalline), semicrystalline (hỗn hợp phức tạp của trạng thái amorphous và crystalline), crystalline. 2 Phân loại dựa vào kiểu liên kết chéo: hydro gel có thể phân lòm hai loại dựa trên việc tác nhân liên kết giữa chúng là vật lý hay hóa học. Mạng lưới liên kết chéo hóa học nó những mối nối mang tính vĩnh viễn trong khi mạng lưới vật lý chỉ là những mối nối tạm thời bởi mạch polymer mắc vào nhau hay những tương tác vật lý như tương tác ion, liên kết hydrogen hay tương tác kỵ nước [4]. Phân loại dựa vào ngoại hình: ngoại hình hydrogel có thể như một ma trận, màng hay các hạt vi cầu phụ thuộc vào kỹ thuật polymer hóa và bao gồm cả các bước chuẩn bị.
Phân loại dược trên điện tích trong mạng lưới phân tử: Nonionic (neutral), Ionic (bao gồm anionic hoặc cationic), Amphoteric electrolyte (ampholytic) bao gồm cả nhóm acid và base, Zwitterionic (polybetaines) bao gồm cả anionic và cationic trong mỗi unit lặp lại. Ứng dụng của hydrogel Hydrogel có thể được ứng dụng cho các sản phẩm vệ sinh, nông nghiệp, tạo hệ thống vận chuyển thuốc, niêm phong, khử nước cho than đá, làm tuyết nhân tạo, phụ gia thực phẩm, dược phẩm, ứng dụng cho y sinh học, dùng trong các lĩnh vực liên quan đến mô và thuốc tái tạo, chẩn đoán, băng vết thương, tách các cấu tử sinh học hoặc tế bào, vật liệu rào cản để điều chỉnh sự kết dính sinh học, cảm biến. Hydrogel dựa trên chitosan Chitosan là một polysaccharide thường được sử dụng để tạo nên hydrogel. Chitosan là một copolymer của 2-acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose và 2-amino-2-deoxy-D- glucopyranose thông qua liên kết 1,4-glycoside.
Chitosan bao gồm các gốc amino (-NH2) và các nhóm hydroxyl (-OH) do đó chúng có thể dễ dàng tạo các liên kết ngang để sửa đổi các gốc chức và cải tiến tính chất vốn có. Hydrogel có thể được tạo nên từ chỉ chitosan hoặc từ chitosan cùng một loại polymer khác. Chitosan rất nhạy cảm với pH do vậy chúng có thể tự tạo liên kết ngang hoặc hòa tan không dung môi [5]. Có rất nhiều sự lựa chọn để tạo liên kết ngang cho chitosan bao gồm cả việc sửa đổi mạch phân tử, thực hiện các phản ứng hóa học giữa chitosan và chất tạo liên kết ngang, tạo các tương tác điện tích, tương tác kỵ nước hoặc các liên kết 3 hydrogel.
Chitosan hydrogel cũng có thể được tạo nên bởi các phương pháp vật lý như chiếu xạ tia cực tím [6]. Hydrogel từ chitosan và cinnamaldehyde thông qua liên kết imine Polysaccharide tự liên kết chéo có thể bao gồm hai đơn vị từ một hoặc hai chuỗi polymer khác nhau. Mục đích cuối cùng là hình thành cấu trúc có mạng lưới dạng gel, Trong quá 4 trình hình thành liên kết ngang, liên kết cộng hóa trị là tương tác chính, ngoài ra còn có thể hình thành các liên kết phụ như liên kết ion, liên kết kỵ nước và liên kết hydro. Các chỉnh sửa này ảnh hưởng đến các tính chất của hydrogel, do đó thành phẩm thu được có thể cho ra những tính chất thú vị và thích hợp.
Quá trình tạo các liên kết ngang cộng hóa trị trên mạch phân tử chitosan dựa vào phản ứng giữa nhóm aldehyde và amine, từ đó tạo nên liên kết imine. Việc sử dụng aldehyde như một tác chất liên kết ngang cùng chitosan được nghiên cứu và ghi chép khá đầy đủ. Các hợp chất khác có thể sử dụng để tạo nên liên kết chéo cộng hóa trị có thể là dietyl squarate, oxalic acid, genipin. Tuy nhiên cơ chế đối với các hợp chất này không quá rõ ràng, do đó chúng cần được tiến hành thử nghiệm bằng phương pháp invitro để nghiên cứu tính tương thích sinh học.
Một phương pháp nữa để hình thành các liên kết chéo cộng hóa trị là bổ sung các polymer sinh học như ethylene glyconl, cyclodextrin hay poly(vinyl alcohol), tuy nhiên chúng cũng cần được khảo sát các đặc tính tương thích sinh học. Chitosan hydrogel cũng có thể thu được bằng cách tạo phức với collagen, poly(acrylic acid), chodroiitin, xylan. Hydrogel đã được nghiên cứu khảo sát như một hệ thống vận chuyển phân phối thuộc và kết cũng thể hiện rõ các đặc tính trương theo nhiệt độ và pH của chúng [7]. Tổng quan về nguyên liệu 1.
Tổng quan về Chitosan Chitin là một loại polymer sinh học tự nhiên nhiều thứ hai trên thế giới có nguồn gốc từ lớp vỏ của các loại giáp xác, côn trùng. Chitosan là một polysaccharide được điều chế từ chitin dựa trên quá trình N-deacetyl hóa chitin trong môi trường kiềm. Đối với chitosan, độ deacetyl hóa từ 40 đến 98% và khối lượng phân tử từ 5x104 dvC đến 2x106 dvC. Chitosan là một copolymer của N-acetyl-D-glucosamine và D-glucosamine.
Mạch phân tử chitosan bao gồm các liên kết -(1,4)-glycoside kết nối các phân tử glucosamine lại với nhau, cấu trúc này khá giống với cellulose ngoại trừ việc nhóm hydroxyl trên C2 bị thay thế bởi nhóm acetylamino. Cấu trúc chitosan Quá trình deacetyl hóa chitin để tạo thành chitosan là quá trình loại bỏ các nhóm acetyl ra khỏi mạch phân tử và thay thế bằng các nhóm -NH2. Quá trình này có thể thực hiện bằng cách xử lý chitin với NaOH ở nhiệt độ cao trong nhiều giờ. Chitin là polysaccharide phong phú thứ hai trong tự nhiên chỉ sau cellulose.
Chitin được tìm thấy trong khung xương ngoài của các loại giáp xác, côn trùng và một số loại nấm. Chitosan có cấu trúc tinh thể cứng nhờ liên kết hydro giữa các phân tử và trong phân tử. Các nguồn cung cấp chính của chitin là chất thải vỏ của tôm, tôm hùm, nhuyễn thể và cua. Trên thế giới hàng năm thu hoạch tới vài triệu tấn chitin.
Chitin (C8H13O5N), nguồn gốc của từ này bắt nguồn từ “chiton” – một từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là lớp vỏ ngoài hay sự bao bọc. Đây là một polysaccharide tự nhiên của - (1,4)-N-acetyl-D-glucosamine. Cấu trúc của chitin khá giống với cellulose ngoại trừ sự xuất hiện của các gốc N-acetyl trên monomer. Các ứng dụng của chitin bị hạn chế bởi sự xuất hiện của các nhóm acetyl trên mạch phân tử, nhưng thông qua quá trình deacetyl hóa, chitin được chuyển đổi thành chitosan.
Thông qua quá trình deacetyl hóa này, các gốc acetyl của chitin sẽ được chuyển đổi thành các gốc hydroxy (-OH) và amine (-NH2). Từ đây, nhờ vào quá trình chỉnh sửa các nhóm chức hoạt động của chitosan, các nhà khoa học đã mở ra hàng loạt ứng dụng mới cho chitosan trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Phản ứng deacetyl hóa chitin thành chitosna Các nguồn cung cấp chitin ở trong tự nhiên như: Động vật: giáp xác, tôm, cua, vảy cá, nhuyễn thể,… Côn trùng: Gián, nhện, bọ cánh cứng, kiến, … Vi sinh vật: Nấm, tảo nâu, bào tử, tảo lục, … 1. Tính chất của chitosan 1.
Tính chất vật lý Chitosan thường gặp có thể được xử lý thành dạng bột hay vảy có màu trắng hơi vàng. Mức độ deacetyl hóa đóng vai trò quan trọng với khối lượng phân tử của chitosan.