Chương 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU HYDROGEL Cellulose là một trong các loại polymer có nguồn gốc thiên nhiên phổ biến nhất thế giới. Cellulose có mạch không phân nhánh và được tạo thành từ các mắt xích β-D-glucozơ. ông thức phân tử của cellulose thường được viết là (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000.
Công thức cấu tạo của cellulose được trình bày trên Hình 1. Cấu tạo phân tử cellulose Nhóm OH trong cellulose có thể tham gia các phản ứng hoá học với các anhidrit axit, axit vô cơ, phản ứng tr ng ngưng với monome, với các ph n tử hoạt động… ác nguyên tử carbon trên mạch cellulose cũng có khả năng tham gia phản ứng đồng trùng hợp ghép với nhiều monome với sự có mặt của chất khơi mào phản ứng. Đặc tính hoá học này giúp cellulose có khả năng hình thành liên kết chéo giữa các mạch, tạo thành cấu trúc 3D trong hydrogel [10]. Ngoài ra, cellulose là một trong những vật liệu tiềm năng để chế tạo màng hydrogel do khả năng hấp phụ nước, khối lượng riêng thấp (xốp và nhẹ), độ bền cơ học cao và dễ dàng biến tính để đưa thêm nhóm chức với các mục đích sử dụng phù hợp [1, 11].
Cellulose có nhiều trong bông, xơ dừa, bã mía, dứa, rơm rạ, sợi đay, gai, tre, gỗ… [6, 9, 12, 13]. Đây đều là các sản phẩm hoặc phụ phẩm của ngành nông nghiệp, được coi là nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú. ác tính năng độc đáo của cellulose hydrogel đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu trên toàn c u phát triển các vật liệu mới, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số nghiên cứu phổ biến về ứng dụng của cellulose hydrogel đã được công bố như sau [14-16]: - Kỹ thuật y sinh: cellulose hydrogel làm vật liệu tương hợp sinh học thay thế mô, vật liệu băng bó vết thương, hệ thống phân phối thuốc… - Vật liệu thông minh: cellulose hydrogel làm cảm biến sinh học, thiết bị truyền động… - Sản phẩm chăm sóc sức khỏe và vệ sinh: cellulose hydrogel dùng chế tạo tã giấy, khăn ăn… - Vật liệu cho nông nghiệp: cellulose hydrogel làm chất vận chuyển thuốc trừ sâu, bể chứa nước, vật liệu giữ nước… Trong lĩnh vực y sinh, màng cellulose hydrogel có tiềm năng ứng dụng to lớn.
Trên cơ sở sự phát triển lý thuyết về cấu trúc polymer, nghiên cứu sâu về các quá trình sinh học ở cấp độ phân tử, việc thiết kế các vật liệu hydrogel dùng 3 trong y sinh có nhiều bước tiến vượt bậc [17-20]. Do khả năng hấp thụ các hoạt chất có hoạt tính sinh học vào mạng liên kết chéo có tính ưa nước, cũng như mang các hoạt chất trong mạng lưới cấu trúc 3D, cellulose hydrogel đang trở thành vật liệu mới đ y hứa hẹn trong lĩnh vực dẫn thuốc và giải phóng thuốc [17-19]. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật kiểm soát mô. Tuy nhiên, kinh phí sản xuất hydrogel còn khá cao, gây hạn chế khả năng thương mại hoá sản phẩm.
Diễm và các cộng sự đã tổng hợp màng hydrogel trên cơ sở chitosan oxi hóa ứng dụng kết dính mô [5]. Màng chitosan – polyethyleneglycol – tyramine hydrogel nước hình thành nhanh chóng với sự hiện diện của enzyme horseradish peroxidase (HRP) và hydrogen peroxide (H2O2). Thử nghiệm in-vitro với tế bào fibroblast bằng kit live/dead cho thấy màng có khả năng tương hợp sinh học cao [5]. Tính chất hóa học và các yếu tố ảnh hướng đến hình thái, cấu trúc đến tính chất cơ l của màng hydrogel trên nền cellulose cũng đã được khảo sát [14].
Tác giả Xi Cui và cộng sự tổng hợp màng hydrogel từ cellulose trong đậu bắp bằng phản ứng với LiOH và ure trong môi trường nước, sau đó bổ sung thêm epichlorohydrin và anhydroglucose [12]. 2: Phản ứng tổng hợp màng hydrogel từ chitosan với polyethyleneglycol và tyramine xúc tác H2O2 [5] 4 Hình 1. 3: Phản ứng của cellulose với acrylic acid (AA) với N,N’-methylene bis-acrylamide (MBA) và Ammonium persulfate (APS) [6]. Trong lĩnh vực xử l môi trường, màng hydrogel từ cellulose cho thấy tiềm năng ứng dụng rất tốt.
Tác giả Trang Thi Cam Truong và cộng sự đã tổng hợp thành công màng hydrogel từ cellulose tách từ chè xanh phản ứng với acrylic acid (AA) với tác nhân tạo liên kết ngang N,N’-methylene bis-acrylamide (MBA) và tác nhân phản ứng ammonium persulfate (APS) ứng dụng hấp thụ methylene blue. Cấu trúc màng hydrogel tổng hợp đã được xác định [6]. Tác giả Vũ Năng An và cộng sự đã tổng hợp màng hydrogel từ bã mía thô theo phương pháp hóa học tạo nanocellulose kết hợp với alginate để hấp thụ các phẩm nhuộm hữu cơ khó phân hủy [7]. G n đây, tác giả Fuchao Li và cộng sự đã tổng hợp màng hydrogel từ bã mĩa kết hợp với polyacrylic acid để loại bỏ ion kim loại nặng [45].
Một số phương pháp tổng hợp màng hydrogel trên nền cellulose được biết đến như tạo liên kết chéo trên nền cellulose bằng phương pháp vật lý (cắt mạch bằng phương pháp đông lạnh - freeze-thawing technique, phương pháp quang hóa, phương pháp bức xạ), tạo liên kết ngang bằng phương pháp hóa học (sử dụng axit citric, epichlorohydrin, glutaraldehyde, Hình 1.4) phương pháp polymer hóa [10]. 4: Phản ứng tổng hợp hydrogel của chitosan với gultaraldehyde Việt Nam là đất nước nông nghiệp, do đó, có nguồn nguyên liệu xanh cung cấp cellulose rất dồi dào. Lá dứa, bã mía, xơ dừa… là các nguồn nguyên liệu rất được các nhà khoa học trong nước quan tâm. Tác giả Phan Thị Tuyết Mai và cộng sự đã tổng hợp màng hydrogel từ cellulose có trong lá dứa với acrylic acid, tác nhân tạo liên kết ngang N,N’-methylene bis-acrylamide (MBA) và tác nhân phản ứng ammonium persulfate (APS) bằng phản ứng este hóa [9].
Tác giả Doan Van Hong Thien và cộng sự đã tổng hợp màng hydrogel từ lá dứa ở Hậu Giang với tác nhân tạo liên kết ngang là ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA) và tác nhân khơi mào phản ứng azobisisobutyronitrile (AIBN) [16]. GIỚI THIỆU VỀ NANO BẠC VÀ TÁC DỤNG KHÁNG KHUẨN Thời gian g n đây, nhiều nghiên cứu đã khẳng định, bạc ở kích thước nano có khả năng kháng khuẩn cao hơn nhiều l n so với bạc ở kích thước micro. Nhiều hướng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng nano bạc vào đời sống và y học rất được các nhà nghiên cứu trong nước cũng như trên thế giới quan tâm. Nano bạc là các hạt bạc có kích thước nhỏ hơn 100 nm.
Một số phương pháp tổng hợp nano bạc được biết đến như: phương pháp ăn mòn laze, phương pháp khử hóa học (trong đó các chất khử có thể là: borohydrid, citrat, axit ascorbic, và khí hydro) phương pháp khử vật l , phương pháp khử hóa lý, 6 phương pháp khử sinh học (như: protein, peptide, carbohydrat, vi khuẩn, nấm và tảo)… [21-25]. Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi sinh vât (vi khuẩn, virus, tảo và nấm…). Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện độc tính với con người. Hơn nữa, bạc được sử dụng như một xúc tác dị thể trong các quá trình sinh trưởng của vi sinh vật, do đó, ít bị tiêu hao trong quá trình sử dụng.
Nano bạc có thể gây độc lên nhiều loài vi khuẩn (khoảng 650 loài) lớn hơn phổ tác động của các chất kháng sinh con người biết hiện nay (từ 5 – 10 loài). Khi ion bạc (Ag+) tác dụng với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh có nhóm sulfhydril –SH của quá trình chuyển hóa oxy của enzym và vô hiệu hóa quá trình chuyển hóa oxy enzyme dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn. Ngoài ra, các ion bạc (Ag+) còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra gốc oxy có khả năng oxi hóa mạnh ROS (reactive oxygen species). Phản ứng làm thay đổi cấu trúc phân tử của các đại phân tử tạo ra các lỗ hổng làm thay đổi tính thấm và sự hô hấp của tế bào.
Bạc có khả năng đồng thời tấn công vào rất nhiều vị trí trong tế bào gây mất khả năng hoạt động của các quá trình chuyển hóa trong cơ thể như chức năng hợp thành tế bào, màng vận chuyển, chức năng tổng hợp các axit nucleic; chức năng vận chuyển, chức năng di chuyển của các electron là rất quan trọng trong việc tạo ra năng lượng cho tế bào, gây bất hoạt enzym và làm rối loạn quá trình sao mã DNA. Khi các chức năng này không ổn định (như: không hoạt động, bị kìm hãm hoặc gián đoạn) vi sinh vật bị ức chế hoặc chết [26]. 5: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn Tác giả Angela Ivask và cộng sự đã so sánh khả năng kháng khuẩn của ion bạc với nano bạc (kích thước nano bạc 10, 20, 40, 60 và 80 nm) trong môi trường in-vitro. Kết quả nghiên cứu cho thấy, kích thước nano bạc càng nhỏ thì giá trị EC50 càng thấp, chứng tỏ khả năng kháng khuẩn của nano bạc càng mạnh, tuy nhiên vẫn yếu hơn so với ion bạc [27].
6: Một số ảnh SEM của cấu trúc nano bạc A.nano dạng cầu C.bạc nano dạng que D.bạc nano dạng ống E.bạc nano dạng vẩy F.bạc nano dạng lập phương G.bạc nano dạng sao H.bạc nano dạng sợi I.bạc kích thước nano [27]. 1: Một số kết quả tổng hợp nano bạc với phương pháp, tiền chất, chất khử và các chất ổn định tương ứng [28] Phương Tiền chất Size pháp tổng Chất khử Chất ổn định bạc (nm) hợp Surfactan (a Hóa học AgNO3 NaHB4 lipopeptide 3-28 biosurfactant) Vật lý Ag wires hồ quang điện ~10 Điện hóa AgNO3 Điện phân PVP ~11 Ethylene Quang hóa AgNO3 PVP 5–10 glycol Quang hóa AgNO3 UV 4–10 Nhiễu xạ tia Ag2SO4 X-Ray ~28 X 8 Hình 1. 7: Giá trị EC50 tương ứng đối với một số loại vi khuẩn và nấm của ion bạc và nano bạc [27]. VẬT LIỆU HYDROGEL KHÁNG KHUẨN Kể từ l n đ u tiên phát hiện ra penicillin vào năm 1928, kháng sinh đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kháng khuẩn [28].
Với sự phát triển của vệ sinh công cộng và công nghệ y sinh, nhiều bệnh nhiễm tr ng đã bị ngăn chặn hoặc thậm chí bị chế ngự một cách hiệu quả, và chất lượng cuộc sống con người đã được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, một vấn đề nghiêm trọng vẫn tồn tại là việc sử dụng kháng sinh đã dẫn đến sự xuất hiện của các vi sinh vật đa kháng thuốc, rất khó chống lại, dẫn đến hơn 13 triệu người chết mỗi năm do các bệnh truyền nhiễm trên toàn thế giới [29]. Chính vì vậy, những năm g n đây, các vật liệu kháng khuẩn mới, tiên tiến, đa chức năng như hydrogel có xu hướng được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn.