MỞ ĐẦU Polymer thông minh (smart polymer) là một vật liệu tiềm năng đƣợc hƣớng đến trong những năm gần đây. Các vật liệu này thu hút đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học bởi chúng có khả năng đáp ứng với các tác nhân kích thích bên ngoài nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ ion, bƣớc sóng, cƣờng độ ánh sáng, từ trƣờng, áp suất, oxy hóa khử, điện trƣờng và các kích thích hoá học và sinh học khác. Hiện nay, ứng dụng của vật liệu polymer thông minh trong các lĩnh vực rất đa dạng nhƣ cảm biến sinh học, hệ mang thuốc, chuyển gen và tế bào. Cơ chế của polymer thông minh đƣợc giải thích một cách đơn giản là sự thay đổi cấu trúc của các chuỗi polymer đáp ứng theo những thay đổi của tác nhân kích thích bên ngoài.
Các vật liệu trên cơ sở các polymer thông minh đã và đang đƣợc nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong thời gian gần đây là hydrogel. Hydrogel là một loại vật liệu ƣa nƣớc có mạng lƣới không gian ba chiều với khả năng hấp thụ nƣớc mà không bị hòa tan. Hydrogel có hàm lƣợng nƣớc cao nên nó có khả năng tƣơng thích với tế bào sống tự nhiên hơn bất kì vật liệu sinh học tổng hợp nào khác. Mặt khác, để tổng hợp các hydrogel với tốc độ đáp ứng kích thích nhanh và tính chất cơ học đƣợc cải thiện là rất cần thiết.
Hydrogel thông minh (smart hydrogel) với cấu trúc semi-IPN hydrogel đã và đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi do có khả năng chuyển pha đáp ứng với các tác nhân kích thích bên ngoài nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ ion, ánh sáng, áp suất, oxy hóa khử và điện trƣờng. Semi-IPN hydrogel đang trở thành một vật liệu tiềm năng để phát triển các hệ mang thuốc có kiểm soát, cho phép thuốc đƣợc vận chuyển đến đúng vị trí trong cơ thể một cách an toàn, đúng thời điểm cần thiết và đúng liều lƣợng quy định mà trƣớc đây chƣa thể thực hiện đƣợc. Đề tài đồ án “Nghiên cứu tổng hợp semi-IPN hydrogel thông minh trên cơ sở N,N'-diethylacrylamide” đƣợc thực hiện với mục tiêu tổng hợp ra vật liệu hydrogel nhạy nhiệt có cấu trúc semi-IPN để khảo sát các đặc tính nhạy nhiệt cũng nhƣ các tính chất hóa lý khác. Đề tài đƣợc thực hiện với mong muốn có thể tạo ra một loại vật liệu có thể ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, xử lý kim loại nặng… do an viii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Polymer thông minh 1.1 Polymer thông minh Polymer thông minh (smart polymer) hay polymer đáp ứng với các tác nhân kích thích là các polymer có những thay đổi lớn về tính chất khi nằm trong các môi trƣờng khác nhau.
Những vật liệu này có thể đáp ứng với một hoặc nhiều tác nhân kích thích, chẳng hạn nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ ion, bƣớc sóng, cƣờng độ ánh sáng, áp suất, oxy hóa khử và điện trƣờng [1-9]. Polymer thông minh có thể phản ứng theo nhiều cách khác nhau bao gồm thay đổi màu sắc hoặc độ trong suốt, trƣơng lên hay co rút hoặc chuyển đổi từ trạng thái dung dịch sang trạng thái không tan; trở nên dẫn điện, thấm nƣớc hoặc thay đổi hình dạng. Nhìn chung, các linear polymer thông minh (smart linear polymer) sẽ trải qua quá trình chuyển pha từ trong suốt của cấu trúc duỗi mạch sang đục của cấu trúc xoắn cuộn tại một điều kiện xác định [10]. Trong khi đó, polymer thông minh mạch không gian sẽ chuyển từ trạng thái trƣơng sang trạng thái co rút lại.
Hiện nay, một trong những polymer thông minh phổ biến nhất là các polymer nhạy nhiệt và nhạy pH.2 Polymer nhạy nhiệt Polymer thông minh điển hình là polymer nhạy nhiệt, có sự chuyển pha đáp ứng với sự thay đổi của nhiệt độ. Một polymer nhạy nhiệt có nhiệt độ dung dịch tới hạn dƣới (LCST) hoặc nhiệt độ dung dịch tới hạn trên (UCST) tùy thuộc vào sự chuyển pha của polymer khi nhiệt độ thay đổi. Khi nhiệt độ môi trƣờng tăng lên, polymer thông minh đƣợc gọi là có LCST nếu các ứng xử chuyển pha xảy ra theo xu hƣớng từ một đến hai pha. Trong khi đó, polymer thông minh có UCST nếu sự chuyển pha xảy ra từ hai đến một pha.
Các polymer thông minh có LCST đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi nhƣ poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM), poly(N,N'-diethylacrylamide) (pDEA), poly(N- (2-hydroxypropyl) methacrylamide) (pHPMA), poly(oligo(ethylene glycol) methacrylate) (pOEGMA) [11-14] trong khi sự hiện diện của UCST trong các polymer nhạy nhiệt là không phổ biến. Thông thƣờng các polymer nhạy nhiệt đƣợc tổng hợp từ những monomer có cả nhóm ƣa nƣớc và nhóm kỵ nƣớc. Phổ biến nhất là các dẫn xuất do an1 Nhóm ƣa nƣớc Nhóm ƣa nƣớc Nhóm kỵ nƣớc Nhóm kỵ nƣớc Hình 1.1 Cấu tạo chung monomer để tổng hợp polymer nhạy nhiệt. acrylamide có nhóm ƣa nƣớc là nhóm amide và nhóm kỵ nƣớc là các nhóm alkyl.
Công thức cấu tạo tổng quát của các dẫn xuất acrylamide đƣợc trình bày trong hình 1. Polymer có LCST thƣờng hòa tan trong nƣớc ở nhiệt độ thấp hơn LCST, trong khi đó, polymer không hòa tan và xảy ra sự tách pha tại nhiệt độ cao hơn LCST. T > LCST T < LCST Chuỗi polymer H2 O Hình 1.2 Sự thay đổi cấu trúc chuỗi polymer tại trên và dƣới LCST. Ở nhiệt độ dƣới LCST, liên kết hydro giữa các nhóm ƣa nƣớc của các chuỗi polymer và nƣớc rất mạnh, do đó hỗn hợp polymer tan tốt trong nƣớc và tạo ra một dung dịch đồng thể.
Ngƣợc lại, khi nhiệt độ vƣợt quá LCST, sự tƣơng tác trong nội bộ của chuỗi polymer mạnh hơn liên kết hydro giữa polymer và nƣớc để thể hiện tính kỵ nƣớc dẫn đến các chuỗi polymer sẽ co rút và tập hợp thành một cấu trúc xoắn cuộn nhƣ minh họa trong hình 1. Dung dịch của polymer UCST trong nƣớc thƣờng không đồng thể khi ở dƣới UCST, trong khi polymer UCST trở nên đồng thể khi ở trên UCST. Hiện tƣợng này có thể đƣợc giải thích bằng liên kết đa phân tử của các chuỗi polymer. Các tƣơng tác mạnh mẽ của các chuỗi polymer sẽ bị phá vỡ khi sự hòa tan xảy ra.
Nếu sự mất năng lƣợng do an2 khi phá vỡ lớn hơn mức tăng năng lƣợng khi hòa tan thì sự hòa tan này không thể diễn ra. Tuy nhiên, khả năng liên kết đa phân tử giảm khi nhiệt độ tăng dẫn đến quá trình hydrat hóa trở nên chiếm ƣu thế, dẫn đến sự hòa tan của polymer [1].3 Polymer nhạy pH Polymer nhạy pH là các polymer có thể đáp ứng với những thay đổi pH của môi trƣờng xung quanh. Những vật liệu này có thể trải qua những thay đổi về cấu trúc và tính chất nhƣ trƣơng nở, co rút, thay đổi cấu tạo, độ hòa tan hoặc hình dạng tùy thuộc vào pH dung dịch của polymer. Các ứng xử này đƣợc thể hiện do sự hiện diện của các nhóm chức acid hoặc base (tƣơng ứng với tính chất nhạy base hoặc acid) trong chuỗi polymer.
Nhìn chung, polymer nhạy pH đƣợc phân thành hai loại chính, một loại với sự hiện diện của nhóm acid yếu (ví dụ –COOH) và một loại với nhóm base yếu (ví dụ –NH2), các nhóm này có khả năng giải phóng proton hoặc nhận proton tự do đáp ứng với pH môi trƣờng. Khi polymer nhạy pH trong các dung dịch có giá trị pH nhất định, các nhóm chức của polymer bị ion hóa và nhận điện tích dƣơng hoặc điện tích âm. Lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tích cùng loại dọc theo trục polymer gây ra sự thay đổi về hình dạng, tính chất và sự gia tăng thể tích của các polymer. Ví dụ, poly(acid acrylic) (PAA) (hoặc các polymer polyacid khác) có khả năng phân ly ở môi trƣờng pH cao và các nhóm carboxylic bị ion hóa.
Ngƣợc lại, poly(N,N’-dimethylaminoethyl methacrylate) (pDMAEMA) (hoặc các polymer base khác) thể hiện khả năng ion hóa ở các giá trị pH thấp. Trạng thái tích điện trong các vật liệu này có thể dễ dàng chuyển đổi bằng cách thay đổi giá trị pH của dung dịch, do đó ứng xử của các polymer nhạy pH cũng có thể đƣợc kiểm soát. Sự chuyển đổi từ trạng thái co rút sang trạng thái trƣơng nở đƣợc giải thích bằng những thay đổi về áp suất thẩm thấu của mạng lƣới tích điện [15]. Do đó, các polymer nhạy pH có thể đƣợc tổng hợp cho các ứng dụng tiềm năng nhƣ hệ mang thuốc, chuyển gen, cảm biến sinh học, màng và sắc ký [15-17].4 Polymer nhạy nhiệt-pH Đối với một số ứng dụng tiềm năng nhƣ hệ mang thuốc, tế bào hoặc protein có kiểm soát, polymer vừa nhạy nhiệt vừa nhạy pH (nhiệt-pH) thực sự hữu ích và cần thiết, bởi vì nhiệt độ và pH là các yếu tố môi trƣờng quan trọng trong các hệ thống này.
Các do an3 polymer có khả năng đáp ứng với cả hai môi trƣờng nhiệt độ và pH đã và đang đƣợc nghiên cứu tổng hợp rộng rãi để đáp ứng các yêu cầu này. Nhƣ đã trình bày ở trên, polymer thông minh điển hình là các polymer nhạy nhiệt, có sự chuyển pha đáp ứng theo sự thay đổi của nhiệt độ, polymer có nguồn gốc từ N-substitued polyacrylamides là nhóm vật liệu đƣợc nghiên cứu và tổng hợp rộng rãi nhất. Nói chung, một polymer nhạy nhiệt có nguồn gốc từ N-substitued polyacrylamides thƣờng đƣợc tổng hợp từ các monomer điển hình nhƣ là N-isopropylacrylamide (NIPAM) và N,N’-diethylacrylamide (DEA) hay các monomer khác nhƣ N-cyclopropylacrylamide (CPA) và N-ethylacrylamide (EAA) [12, 18, 19]. Mặt khác, để thu đƣợc polymer nhạy nhiệt-pH, một trong những monomer trên thƣờng đƣợc đồng trùng hợp với một monomer acid carboxylic nhạy pH nhƣ acrylic acid (AAc), itaconic acid (IA), methacrylic acid (MAA).
để tạo ra các vật liệu thông minh nhạy nhiệt-pH theo những mục đích ứng dụng cần hƣớng tới [11, 20, 21].2 Semi-IPN hydrogel thông minh 1.1 Hydrogel thông minh Hydrogel là một loại vật liệu polymer ƣa nƣớc có mạng lƣới không gian ba chiều có khả năng hấp thụ nƣớc mà không bị hòa tan. Hydrogel có thể đƣợc tổng hợp và đổ khuôn để tạo ra các mẫu có hình dạng hoặc kích thƣớc bất kỳ. Hydrogel có hàm lƣợng nƣớc cao nên nó có khả năng tƣơng thích với tế bào sống tự nhiên hơn bất kì vật liệu sinh học tổng hợp nào khác. Vì vậy, hydrogel trở thành vật liệu lý tƣởng để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ hệ mang thuốc [22], phân tách [23], công nghệ tế bào [24] và cảm biến sinh học [25].
Trong thời gian gần đây, hydrogel thông minh (smart hydrogel) đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi do có khả năng chuyển pha đáp ứng với các tác nhân kích thích bên ngoài nhƣ nhiệt độ, pH, nồng độ ion, ánh sáng, áp suất, oxy hóa khử và điện trƣờng. Một trong những hydrogel thông minh phổ biến nhất hiện nay là hydrogel nhạy nhiệt, và tính chất “thông minh nhạy nhiệt ” này của hydrogel có đƣợc là do thừa hƣởng từ các polymer thông minh nhạy nhiệt.