CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Tổng quan về “smart” semi-IPN hydrogel 1.1 Polymer và “Smart” polymer (polymer thông minh) 1. Polymer Polymer được định nghĩa là một tập hợp gồm nhiều đơn phân tử giống nhau để cấu thành một đại phân tử có khối lượng lớn. Trong đó từ “polymer” có nguồn gốc từ Hy Lạp, “poly” nguyên gốc là “polus” có nghĩa là nhiều và “mer” với gốc là “meros” có nghĩa là phần.[3] Đi cùng với sự phát triển của nhân loại, vật liệu là yếu tố quyết định sự chuyển tiếp của thời đại.
Thuở sơ khai, con người chỉ biết hái nhặt hoa quả. Sau đó, đánh dấu cho bước tiến hóa lớn, các công cụ từ vật liệu đá ra đời. Từ lúc này, người nguyên thủy mới có thể bắt đầu săn bắn được các loài thú. Khi công cụ bằng đá không còn đáp ứng đủ so với nhu cầu, công cụ bằng kim loại bắt đầu được phát triển.
Nhưng từ thời điểm đó cho đến nay, chỉ có thêm một vật liệu được xem là bước ngoặc thời đại, đó chính là vật liệu polymer. [4] Bản thân polymer là một trong những yếu tố kiến tạo nên sự sống ngày nay. Polymer có nguồn gốc lâu đời nhất tồn tại trong cơ thể con người, chính là ADN. ADN là một chuỗi tập hợp các acid amin Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G), Cytosine(X), kết hợp với nhau thông qua các liên kết amide.Với 4 loại acid amin A,T,G,X có thể tổ hợp tạo ra vô số các chuỗi ADN khác nhau, tạo ra vô số giống loài [5].
Đối với phát hiện đầu tiên của vật liệu polymer phải kể đến sự bùng nổ của ngành công nghiệp hóa dầu. Trong quá trình sản xuất tạo ra nhiên liệu từ các phân đoạn khác nhau của mỏ dầu tự nhiên, vô tình phát hiện ra những mạch carbon dài sẽ tạo ra một loại vật liệu có tính chất hoàn toàn khác biệt với những vật liệu đã biết. Từ đó, các nhà khoa học dần tìm tòi và phát triển nên ngành công nghiệp polymer. Nhưng trong một khoảng thời gian dài, polymer tồn tại dưới bóng của hóa học hữu cơ.
Sau đó, do ngành công nghiệp này phát triển quá mạnh mẽ, nên được tách ra thành một ngành khoa học riêng.[3] 1 do an Sản phẩm được cấu tạo từ vật liệu polymer rất đa dạng, từ những vật dụng sử dụng hằng ngày cho đến những vật liệu được sử dụng trong các môi trường đặc biệt. Ở những điều kiện khắc nghiệt, polymer vẫn có khả năng sử dụng như một chất kết dính, tạo composite, cũng như tạo các lớp cách nhiệt,…[6]. Hiện nay, ngành nghiên cứu vật liệu polymer vẫn đang phát triển rất mạnh mẽ vì những tính chất ưu việt của vật liệu này mang lại. Đi cùng với thời đại, việc nghiên cứu polymer không chỉ dừng lại ở tập hợp những phân tử nhỏ thành một đại phân tử.
Nó đã và đang được nghiên cứu trở thành những nguồn nguyên liệu với yêu cầu thân thiện với con người, môi trường và có thể đáp ứng được cùng lúc nhiều tiêu chí khác nhau. Chính vì thế, polymer thông minh được ra đời. Smart polymer-polymer thông minh Smart polymer hay stimuli-responsive polymer là hai tên thông dụng để gọi chung cho những vật liệu polymer có cơ tính hoặc tính chất thay đổi dựa theo môi trường xung quanh. Các vật liệu “thông minh” này có thể bị thay đổi tính chất theo một hoặc nhiều tác nhân khác nhau như nhiệt độ, pH, ánh sáng, độ ẩm, từ tính, dung môi [6].
Vật liệu này đã được tìm thấy và phát triển từ rất lâu, nhưng đến nay, các ứng dụng chuyên sâu cũng như phức tạp vẫn chưa được áp dụng rộng rãi. Chính vì thế, khả năng nghiên cứu và định hướng phát triển vẫn còn đang rất rộng mở [7]. Để trở thành vật liệu được gọi là thông minh, vật liệu phải thỏa mãn được hai yếu tố. Thứ nhất, có thể thay đổi cơ tính hoặc tính chất theo các tác nhân bên ngoài.
Thứ hai, khi loại bỏ tác động bên ngoài, vật liệu này phải quay trở lại tính chất ban đầu. Về cơ tính, vật liệu có thể trở nên cứng hơn, dẻo hơn hoặc thay đổi trạng thái truyền suốt. Về tính chất, các vật liệu thông minh phải có thể thay đổi về trạng thái pha hay các liên kết hóa học chứa trong phân tử. Trên thực tế, có rất nhiều loại vật liệu đáp ứng được tiêu chí đầu tiên, tiêu chí thứ hai là yếu tố quyết định vật liệu được gọi là thông minh [8].
Polymer thông minh nhạy nhiệt Trong các yếu tố có thể thay đổi tính chất của vật liệu polymer, nhiệt độ là yếu tố được nghiên cứu nhiều nhất [2]. Polymer nhạy nhiệt là những polymer có khả năng thay đổi trạng thái dưới tác dụng của nhiệt độ. Ví dụ, ở nhiệt độ thấp, các polymer dạng này sẽ 2 do an tan trong dung môi (thường là nước). Nhưng khi ở nhiệt độ cao hơn, polymer này sẽ thực hiện quá trình chuyển pha và biến đổi trạng thái thành dạng không tan trong nước [9].
Polymer nhạy nhiệt hoạt động dựa trên sự cân bằng giữa liên kết hydro của nhóm ưa nước (hydrophilic) trong nước và liên kết giữa các nhóm kỵ nước (hydrophobic) với nhau. Đa số các polymer thông thường sẽ tan nhiều khi tăng dần nhiệt độ. Nhưng, một số polymer khi tăng nhiệt độ thì độ tan sẽ giảm dần [10]. Nhiệt độ cơ thể con người trong khoảng 37 ˚C thích hợp với cơ chế “nhả” (trigger) dưỡng chất của polymer nhạy nhiệt.
Vì thế, các polymer nhạy nhiệt được ứng dụng và phát triển nhiều nhất trong các loại vật liệu polymer thông minh để đưa thuốc vào cơ thể [11]. Nhưng khác với các loại polymer thông thường, các polymer thông minh dạng nhạy nhiệt có thể đưa thuốc vào đúng vị trí cần chữa trị bên trong cơ thể. Để làm được điều này, polymer thông minh sẽ thực hiện cơ chế “giữ-nhả” đặc biệt. Để xác định chính xác cơ chế đó, người ta đưa ra vô số định nghĩa.
Một trong số đó, nhiệt độ dung dịch tới hạn trên-dưới (LCST-UCST) chính là yếu tố xác định khoảng nhiệt độ làm việc của polymer thông minh nhạy nhiệt [12]. Nhiệt độ dung dịch tới hạn trên-dưới (Low-uper critical solution temperature LCST-UCST) Đại lượng đặc trưng cho polymer nhạy nhiệt là điểm dung dịch tới hạn trên-dưới (lower- uper critical solution temperature LCST-UCST). Tại nhiệt độ này, hiện tượng chuyển pha của polymer xảy ra (pha lỏng chuyển sang pha rắn). Điểm LCST được định nghĩa là điểm nhiệt độ mà vượt qua điểm này, vật liệu sẽ chuyển từ trạng thái linh động sang kém linh động.
Ngược lại với điểm LCST, ta có điểm UCST. Nói cách khác, trong trường hợp polymer có khả năng tan trong nước ở nhiệt độ thấp và không tan ở nhiệt độ cao ta sẽ có điểm LCST. Ngược lại, khi tan ở nhiệt độ cao và không tan ở nhiệt độ thấp ta sẽ có điểm UCST. Phương pháp điểm đục là phương pháp ghi nhận độ truyền suốt của dung dịch polymer giảm dưới 50% khi tăng dần nhiệt độ.
Phương pháp phân tích nhiệt vi sai là quá trình ghi nhận 3 do an quá trình thu nhiệt của dung dịch khi tới điểm LCST hoặc UCST để thực hiện quá trình chuyển pha [13]. Polymer nhạy nhiệt hiện nay được sử dụng rất nhiều trong nghiên cứu cũng như ứng dụng vào việc mang thuốc và dưỡng chất sinh học cho cơ thể. Cấu trúc dạng mạch thẳng của polymer nhạy nhiệt sẽ có những nhược điểm như mức độ trương thấp, tốc độ nhả trương thấp nên người ta nghiên cứu sử dụng cấu trúc hydrogel trên nền polymer nhạy nhiệt [14]. 1 Giản đồ pha thể hiện nhiệt độ LCST và UCST theo thành phần Hình 1.1 [10] là giản đồ pha của vật liệu polymer nhạy nhiệt có điểm LCST hoặc UCST.
Trong đó, ta thấy rõ ở nhiệt độ dưới điểm LCST, vật liệu polymer sẽ tồn tại ở pha lỏng nhưng khi đến nhiệt độ LCST, vật liệu sẽ tạo ra hiện tượng tách pha rõ ràng với môi trường xung quanh. Ngược lại, điểm UCST là điểm nhiệt độ mà tại đó vật liệu polymer nhạy nhiệt sẽ chuyển từ 2 pha thành 1 pha duy nhất. Bên cạnh đó, thành phần polymer cũng sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ LCST [6]. Khác với polymer nhạy nhiệt, các hydrogel nhạy nhiệt sẽ không tan trong nước, nó chỉ thực hiện cơ chế giữ-nhả.
Ở nhiệt độ thấp, các hydrogel này sẽ rất dễ dàng hấp thụ nước, cũng như những dưỡng chất có trong môi trường xung quanh, cơ chế này tương tự khả năng tan trong nước của polymer nhạy nhiệt. Sau đó, ở những nhiệt độ quá điểm LCST, 4 do an hydrogel dạng nhạy nhiệt sẽ co rút lại và đẩy thuốc ra. Ứng dụng này được xem là chìa khóa dẫn đến việc điều trị trúng đích hiện nay [15].2 [10] thể hiện cơ chế hấp thụ và nhả thuốc của vật liệu hydrogel thông minh dưới những nhiệt độ trên và dưới điểm LCST. Trên thực tế, không dừng lại ở ứng dụng đưa thuốc vào cơ thể, một phần lớn hydrogel dạng này có thể được sử dụng như vật liệu hấp thụ kim loại nặng có trong nước thải.
2 Cơ chế hấp thu thuốc của vật liệu hydrogel 1.2 Hydrogel polymer Mạch polymer Liên kết khâu mạng Hình 1. 3 Cấu trúc hydrogel Hydrogel được định nghĩa là vật liệu polymer có cấu trúc 3 chiều, có khả năng trương lên trong nước nhưng không tan rã hoặc thay đổi cấu trúc (hình 1. Hydrogel có 5 do an khả năng hấp thụ nước rất tốt nhờ vào các nhóm chức ưa nước (hydrophilic) có trong các mạch phân tử. Bên cạnh đó, nhờ có các liên kết nối mạng (crosslink), cấu trúc của vật liệu luôn được giữ cố định.
Định nghĩa trên đúng với nhiều loại vật liệu cả tự nhiên và nhân tạo. Điển hình như hai vật liệu tự nhiên như dextran và collagen đều có cấu trúc dạng hydrogel [9]. Vật liệu được cấu tạo với cấu trúc hydrogel hữu ích vào các ứng dụng yêu cầu vật liệu phải tương tác tốt trong nước nhưng không được hòa tan. Một số ứng dụng tiêu biểu của vật liệu hydrogel bao gồm vật liệu y sinh (biomaterials), vật liệu giữ- nhả (controlled- release devices), pha tĩnh của sắc kí (chromatographic packings), gel điện di (electrophoresis gels).
Trong lĩnh vực y sinh, khả năng hấp thụ nước tốt của vật liệu hydrogel không chỉ giúp vật liệu thay thế được một số tế bào sống mà nhờ cơ chế giữ- nhả, vật liệu hydrogel còn có khả năng vận chuyển các phân tử nhỏ như oxy, dưỡng chất, các chất chuyển hóa. Đồng thời, vật liệu polymer được cấu thành từ cấu trúc mạng lưới hydrogel rất dễ tạo thành các hình dạng, hình dáng khác nhau, từ đó rất thuận tiện trong nhiều trường hợp [6]. Bên cạnh những ứng dụng trên, một số nhà khoa học đã nghiên cứu về cấu trúc mạng lưới hydrogel vào nông nghiệp và môi trường.