Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực khoa học vật liệu polymer, các vật liệu thông minh có khả năng đáp ứng với các kích thích môi trường bên ngoài (nhiệt độ, pH, điện trường, ánh sáng, áp suất, enzym) đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu sâu rộng. Trong đó, hydrogel nhạy nhiệt là một trong những hệ vật liệu tiêu biểu nhờ khả năng thay đổi thể tích và chuyển pha cấu trúc tại nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST - Lower Critical Solution Temperature).

Phần lớn các nghiên cứu truyền thống tập trung vào poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) với LCST xấp xỉ 32 °C. Tuy nhiên, các dẫn xuất pNIPAM bộc lộ hạn chế lớn về mặt y sinh do quá trình thủy phân có thể giải phóng các hợp chất amin phân tử lượng thấp gây độc tính tế bào. Nhằm khắc phục nhược điểm này, poly(N,N'-diethylacrylamide) (pDEA) trở thành đối tượng thay thế tiềm năng nhờ có LCST tương đương (khoảng 31 °C), cấu trúc tương đồng nhưng độc tính tế bào thấp hơn và giá thành hợp lý hơn. Mặc dù vậy, hydrogel pDEA đồng thể thông thường vẫn tồn tại các nhược điểm cố hữu: độ cứng cao, tính chất cơ học kém, giòn dễ vỡ ở nhiệt độ phòng, tỷ lệ trương nở thấp và tốc độ đáp ứng chuyển pha chậm.

Để cải thiện các giới hạn trên, giải pháp cấu trúc mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN - Semi-Interpenetrating Polymer Network) kết hợp comonomer hydroxyethyl methacrylate (HEMA) được đề xuất. Comonomer HEMA sở hữu nhóm hydroxyl (-OH) và ester (-COO-), có khả năng gia tăng tính ưa nước, cải thiện độ bền cơ học và nâng cao khả năng tương thích sinh học. Hầu hết các nghiên cứu semi-IPN trước đây chỉ đưa comonomer vào mạch thẳng (linear copolymer). Đề tài này đặt ra hướng tiếp cận mới khi khảo sát đồng thời việc đưa HEMA vào mạch polymer thẳng lẫn việc đưa HEMA trực tiếp vào mạng lưới không gian ba chiều.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể gồm:

  1. Tổng hợp linear polymer pDEA và linear copolymer p(DEA-co-HEMA) thông minh bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do; khảo sát đặc tính chuyển pha nhạy nhiệt cảm quan của hai loại mạch thẳng này.
  2. Tổng hợp semi-IPN hydrogel với hai dạng cấu trúc không gian ba chiều: cấu trúc S1 [linear p(DEA-co-HEMA) phân tán trong mạng pDEA] và cấu trúc S2 [linear pDEA phân tán trong mạng copolymer p(DEA-co-HEMA)], cùng mẫu hydrogel pDEA thông thường làm đối chứng.
  3. Khảo sát cấu trúc hóa học, hình thái học vi mô, nhiệt độ chuyển pha LCST, độ bền cơ tính định tính và động học trương nở/nhả trương trong môi trường nước ở các khoảng nhiệt độ khác nhau của các hệ vật liệu thu được.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là monomer N,N'-diethylacrylamide (DEA), comonomer hydroxyethyl methacrylate (HEMA), chất nối mạng N,N'-methylenebisacrylamide (MBA), chất khơi mào Ammonium persulfate (APS) và chất xúc tiến N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED).

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Polymer, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian 5 tháng (hoàn thành vào tháng 7 năm 2019).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết hóa lý polymer, bao gồm:

  • Lý thuyết về polymer thông minh và chuyển pha nhạy nhiệt: Cơ chế chuyển đổi trạng thái của chuỗi polymer nhạy nhiệt có LCST từ dạng duỗi mạch ưa nước (tạo liên kết hydro bền với nước ở nhiệt độ dưới LCST) sang dạng cuộn xoắn kỵ nước (tương tác nội phân tử chiếm ưu thế, tách pha và co rút thể tích ở nhiệt độ trên LCST).
  • Mô hình cấu trúc mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN): Hệ polymer gồm một mạng lưới liên kết không gian ba chiều được khâu mạch hóa học đan xen vật lý với các mạch polymer thẳng tự do (không có liên kết chéo giữa hai thành phần). Cấu trúc này tạo ra các kênh dẫn lưu chất linh động, tăng cường độ xốp và phân tán ứng suất cơ học.
  • Đặc tính các đơn vị cấu trúc: Khảo sát vai trò của monomer DEA (C7H13NO, 127,18 g/mol) đóng vai trò khung nhạy nhiệt chính và HEMA đóng vai trò comonomer điều biến tính ưa nước và độ xốp mạng lưới.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp tổng hợp hóa học: Trùng hợp gốc tự do trong dung dịch (solution free-radical polymerization) sử dụng hệ khơi mào/xúc tiến oxy hóa khử APS/TEMED và tác nhân nối mạng MBA trong môi trường bể nước đá kiểm soát nhiệt độ.
  • Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Sử dụng thiết bị PerkinElmer Spectrum 10 trong dải sóng 4000–400 cm⁻¹ với độ phân giải 4,00 cm⁻¹ nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng, kiểm chứng phản ứng trùng hợp và sự hình thành mạng semi-IPN.
  • Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DSC): Sử dụng máy NETZSCH DSC 214 (Đức) với tốc độ quét nhiệt 1 °C/phút trong khoảng nhiệt độ 25–50 °C để xác định chính xác giá trị LCST tại đỉnh thu nhiệt cực đại.
  • Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM): Sử dụng thiết bị Hitachi S-4700 (Nhật Bản) nhằm phân tích hình thái học, cấu trúc xốp và đường kính lỗ xốp vi mô của hydrogel sau khi đông khô.
  • Phương pháp đánh giá cơ tính và động học trương (Swelling test): Đánh giá độ bền đàn hồi định tính thông qua lực nén thủ công bằng lam kính; đo tỷ lệ trương cân bằng (SR - Swelling Ratio), tốc độ trương tại 25 °C và tốc độ nhả trương (Deswelling Rate) khi chuyển từ 25 °C sang 45 °C trong môi trường nước cất.

Nguồn dữ liệu của đồ án là dữ liệu thực nghiệm sơ cấp, được đo đạc, ghi nhận trực tiếp từ các chuỗi mẫu tổng hợp tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này tổng thuật toàn diện các cơ sở lý thuyết và tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài:

  • Phân tích phân loại polymer thông minh theo các tác nhân kích thích: nhiệt độ (LCST/UCST), pH (acid yếu, base yếu), nhiệt-pH, điện trường, ánh sáng, enzym, đường glucose và áp suất.
  • Trình bày sâu về cơ chế chuyển pha của dẫn xuất N-substituted polyacrylamide, so sánh chi tiết giữa pNIPAM và pDEA. Tác giả nhấn mạnh pDEA có nhiệt độ chuyển pha ~31 °C phù hợp sinh lý, cấu trúc tương thích tế bào tốt hơn và không giải phóng amin độc hại khi thủy phân.
  • Tổng quan cấu tạo, các phương pháp tổng hợp và vai trò của HEMA trong việc cải thiện tính năng hydrogel thông minh.
  • Phân tích nguyên tắc và các kỹ thuật trùng hợp gốc tự do (trùng hợp khối, nhũ tương, huyền phù, dung dịch) cùng các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, oxy, nồng độ chất khơi mào và monomer.
  • Tổng hợp các công bố khoa học tiêu biểu về semi-IPN hydrogel trên thế giới và tại Việt Nam, phân tích các nghiên cứu của Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn (hệ pDEA/IAM), Wei. W (hệ Salecan/p(DEA-co-MAA)), N. Zhang (hệ pDMAEMA/pDEA), từ đó xác lập tính cấp thiết của việc kết hợp DEA và comonomer HEMA theo hai cấu trúc mạng khác nhau.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết hóa chất, dụng cụ, quy trình chế tạo và các phương pháp đo đạc:

  • Hóa chất sử dụng: DEA (Tokyo Chemical Industry Co.), MBA và TEMED (Alfa Aesar Co.), APS (Aencore Chemical PTY).
  • Quy trình tổng hợp linear polymer pDEA: Trộn 1,50 g DEA (11,79 mmol) với 6,0 ml nước cất trong bể nước đá, khuấy chân không đồng nhất, bổ sung 2,5 ml dung dịch APS (0,4792 g/25 ml) và 5,0 ml dung dịch TEMED (4 ml/25 ml), phản ứng trong 2 giờ và ổn định 24 giờ ở 10 °C.
  • Quy trình tổng hợp linear copolymer p(DEA-co-HEMA): Tương tự pDEA nhưng bổ sung 70 µl comonomer HEMA ở giai đoạn đầu.
  • Quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel S1 và S2:
    • Cấu trúc S1 [p(DEA-co-HEMA)/pDEA]: Trộn dung dịch linear copolymer p(DEA-co-HEMA) với monomer DEA, chất nối mạng MBA và nước trong bể đá 10 phút, thêm APS và TEMED khuấy 3 phút rồi đổ khuôn lọ mẫu, ổn định 24 giờ ở 10 °C.
    • Cấu trúc S2 [pDEA/p(DEA-co-HEMA)]: Trộn dung dịch linear polymer pDEA với monomer DEA, comonomer HEMA, MBA và nước, sau đó thêm APS, TEMED thực hiện tương tự S1.
    • Mẫu đối chứng pDEA thông thường: Tổng hợp từ monomer DEA và MBA mà không chứa mạch thẳng hay HEMA.
  • Phương pháp xử lý và phân tích: Rửa sạch hydrogel trong nước 2 ngày (thay nước 6 lần/ngày) để loại bỏ monomer và hóa chất dư, sấy khô ở 80 °C trước khi đo FTIR, đo DSC dải nhiệt 25–50 °C (1 °C/phút), chụp ảnh vi cấu trúc SEM và tiến hành các phép đo trương nở.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày và phân tích các kết quả thực nghiệm thu được:

  • Khảo sát cảm quan chuyển pha: Dung dịch linear pDEA và p(DEA-co-HEMA) đều ở trạng thái trong suốt tại nhiệt độ phòng (25 °C) và chuyển sang trạng thái đục trắng đục do co cuộn phân tử kỵ nước khi gia nhiệt lên 40 °C.
  • Phân tích phổ FTIR: Xác nhận sự biến mất của liên kết đôi C=C (trùng hợp thành công) và sự xuất hiện đầy đủ của các dải hấp thụ đặc trưng cho liên kết amide của DEA và nhóm ester/hydroxyl của HEMA trong mạng lưới semi-IPN.
  • Phân tích nhiệt vi sai (DSC): Xác định nhiệt độ chuyển pha LCST. Mẫu pDEA thông thường có LCST đạt 34,0 °C. Khi hình thành cấu trúc semi-IPN, LCST của hệ S1 dao động giảm từ 33,8 °C xuống 33,4 °C; hệ S2 dao động giảm từ 33,9 °C xuống 33,0 °C tùy thuộc vào hàm lượng mạch thẳng.
  • Hình thái học vi mô (SEM): Hydrogel pDEA thông thường có thành lỗ dày, cấu trúc đặc với kích thước lỗ xốp trung bình nhỏ nhất (151,4 ± 39,3 µm). Các mẫu semi-IPN có cấu trúc xốp mở đồng đều, kích thước lỗ tăng tỷ lệ thuận với hàm lượng mạch thẳng xen kẽ; trong đó mẫu S1-P4 đạt 339,5 ± 65,1 µm và mẫu S2-P4 đạt 316,1 ± 61,2 µm.
  • Đánh giá cơ tính: Dưới tác dụng của lực nén cơ học bằng lam kính, hydrogel pDEA thông thường dễ bị nứt vỡ giòn; ngược lại, cả hai hệ semi-IPN S1 và S2 đều duy trì độ đàn hồi tốt, chịu biến dạng nén mà không bị phá hủy cấu trúc.
  • Động học trương nở và nhả trương: Tỷ lệ trương cân bằng của tất cả các hydrogel giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường tăng từ 20 °C lên 45 °C (chuyển đổi từ pha ngậm nước sang mất nước). Sự hiện diện của các chuỗi linear polymer/copolymer đóng vai trò như các kênh dẫn nước lưu động, giúp tăng tốc độ hấp thụ nước ở 25 °C và đẩy nhanh tốc độ thoát nước ở 45 °C so với mẫu hydrogel pDEA thông thường.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã thu được các số liệu định lượng thực nghiệm rõ ràng, minh chứng cho sự vượt trội của cấu trúc semi-IPN so với hydrogel đồng thể:

Mẫu vật liệu Đặc điểm cấu trúc Kích thước lỗ xốp trung bình (SEM) Nhiệt độ chuyển pha LCST (DSC) Đặc tính cơ học và động học trương
pDEA thông thường Mạng không gian pDEA đơn thuần 151,4 ± 39,3 µm 34,0 °C Cấu trúc giòn, dễ vỡ khi nén; tốc độ trương và nhả nước chậm.
Semi-IPN S1 (S1-P4) linear p(DEA-co-HEMA) / mạng pDEA 339,5 ± 65,1 µm 33,8 – 33,4 °C Độ đàn hồi cao, không vỡ khi nén; tốc độ trương/nhả nước nhanh nhất.
Semi-IPN S2 (S2-P4) linear pDEA / mạng p(DEA-co-HEMA) 316,1 ± 61,2 µm 33,9 – 33,0 °C Độ bền cơ tính tốt; lỗ xốp lớn, đáp ứng nhanh với nhiệt độ.

Các đóng góp chính của đề tài bao gồm:

  • Thiết lập quy trình tổng hợp ổn định cho hai hệ semi-IPN hydrogel nhạy nhiệt mới dựa trên DEA và HEMA, giải quyết đồng thời hai hướng cấu trúc: đưa HEMA vào chuỗi thẳng (S1) hoặc đưa HEMA vào mạng lưới khâu mạch (S2).
  • Chứng minh bằng thực nghiệm rằng việc tích hợp các mạch linear polymer/copolymer giúp kiểm soát kích thước lỗ xốp (tăng hơn gấp đôi so với hydrogel thông thường), gia tăng tính đàn hồi cơ học và tạo ra các kênh vi lưu giúp tăng tốc độ đáp ứng nhạy nhiệt.
  • Cung cấp các thông số hóa lý quan trọng (LCST trong khoảng 33,0–33,9 °C, tiệm cận nhiệt độ sinh lý cơ thể người), định hướng tiềm năng ứng dụng vật liệu làm hệ mang phân phối thuốc có kiểm soát hoặc vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng trong xử lý môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi thực nghiệm được trình bày trong đồ án, một số hạn chế và hướng phát triển được xác định:

  • Hạn chế:
    • Phép thử cơ tính mới được đánh giá bằng phương pháp cảm quan định tính (nén thủ công bằng lam kính), chưa đo đạc được các chỉ số cơ lý định lượng như độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi hay độ biến dạng nén trên máy đo cơ tính chuyên dụng.
    • Thời gian thực nghiệm giới hạn trong 5 tháng nên các khảo sát ứng dụng nhả thuốc hoặc xử lý kim loại nặng mới dừng ở mức định hướng lý thuyết, chưa tiến hành thử nghiệm giải phóng hoạt chất thực tế in vitro.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiến hành thử nghiệm nén/kéo định lượng trên các thiết bị đo cơ lý chính xác để xác định giới hạn bền cơ học của từng tỷ lệ mẫu.
    • Khảo sát trực tiếp khả năng nạp và giải phóng các phân tử thuốc mẫu ở nhiệt độ sinh lý (37 °C) và các giá trị pH khác nhau.
    • Thử nghiệm khả năng hấp phụ và tái sinh của hydrogel đối với các dung dịch chứa ion kim loại nặng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu, Kỹ thuật Y sinh và Công nghệ Hóa Dược: Nguồn tư liệu tham khảo cụ thể về quy trình tổng hợp polymer nhạy nhiệt gốc acrylamide và kỹ thuật chế tạo mạng bán xen kẽ semi-IPN.
  • Người nghiên cứu về vật liệu thông minh (Smart Polymers/Hydrogels): Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp phân tích FTIR, DSC xác định LCST, chuẩn bị mẫu chụp SEM vi cấu trúc xốp và các công thức tính toán động học trương/nhả trương.
  • Các đề tài phát triển hệ dẫn truyền thuốc: Cung cấp giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện độ bền cơ tính và độ nhạy nhiệt của vật liệu mang thuốc trên cơ sở monomer pDEA thay thế pNIPAM.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận nghiên cứu tổng hợp những dạng cấu trúc hydrogel nào?
Khóa luận tổng hợp 3 hệ vật liệu: (1) Mẫu đối chứng hydrogel pDEA thông thường; (2) Hệ semi-IPN S1 gồm linear copolymer p(DEA-co-HEMA) nằm trong mạng không gian pDEA; (3) Hệ semi-IPN S2 gồm linear polymer pDEA nằm trong mạng không gian copolymer p(DEA-co-HEMA).

2. Vai trò của comonomer HEMA trong cấu trúc hydrogel là gì?
HEMA đóng vai trò là comonomer ưa nước chứa nhóm hydroxyl (-OH) và ester (-COO-), giúp tăng cường tính ưa nước, cải thiện khả năng trương nở, nâng cao độ bền cơ học và gia tăng khả năng tương thích sinh học cho mạng lưới polymer.

3. Kích thước lỗ xốp của hydrogel semi-IPN thay đổi như thế nào so với hydrogel pDEA thông thường?
Hình ảnh SEM cho thấy hydrogel pDEA thông thường có cấu trúc đặc với kích thước lỗ xốp nhỏ nhất (151,4 ± 39,3 µm). Trong khi đó, các mẫu semi-IPN có kích thước lỗ xốp lớn hơn đáng kể và tăng theo hàm lượng mạch thẳng, đạt cực đại tại mẫu S1-P4 (339,5 ± 65,1 µm) và S2-P4 (316,1 ± 61,2 µm).

4. Giá trị nhiệt độ chuyển pha LCST của các mẫu hydrogel đo được bằng DSC là bao nhiêu?
Nhiệt độ LCST của mẫu pDEA thông thường là 34,0 °C. Đối với cấu trúc semi-IPN, giá trị LCST giảm nhẹ tùy theo tỷ lệ phối trộn: hệ S1 dao động từ 33,8 °C xuống 33,4 °C và hệ S2 dao động từ 33,9 °C xuống 33,0 °C.

5. Tại sao pDEA được lựa chọn nghiên cứu thay thế cho pNIPAM?
PDEA có nhiệt độ chuyển pha LCST xấp xỉ 31 °C (gần tương đương pNIPAM và tiệm cận nhiệt độ cơ thể), cấu trúc tương đồng nhưng có ưu điểm vượt trội là không giải phóng amin độc tính thấp khi thủy phân, độc tính tế bào thấp hơn và giá thành hợp lý hơn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Võ Minh Quân đã thực hiện thành công việc tổng hợp các hệ vật liệu mạch thẳng và semi-IPN hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở DEA và comonomer HEMA thông qua phản ứng trùng hợp gốc tự do trong dung dịch. Kết quả phân tích FTIR, DSC, SEM và thử nghiệm trương nở khẳng định cấu trúc semi-IPN giúp mở rộng đường kính lỗ xốp vi mô, nâng cao độ bền cơ tính đàn hồi và tối ưu hóa động học đóng/mở nhả nước tại vùng nhiệt độ chuyển pha 33,0–34,0 °C. Công trình cung cấp các dữ liệu thực nghiệm có giá trị khoa học, tạo cơ sở thực tiễn cho việc phát triển các vật liệu hydrogel thông minh ứng dụng trong y sinh và kỹ thuật môi trường.