Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu tổng hợp semi IPN hydrogel thông minh từ n-isopropylacrylamide

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu tổng hợp semi ipn hydrogel thông minh trên cơ sở n isopropylacrylamide, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Tấn Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp semi-IPN hydrogel thông minh trên cơ sở N-isopropylacrylamide
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Polymer và “Smart” polymer (polymer thông minh)
• 1.2. Semi-IPN hydrogel
• 1.3. Tổng quan về NIPAM và HEMA
• 1.4. Tổng quan về trùng hợp gốc tự do
• 1.4.1. Cơ chế trùng hợp gốc tự do
• 1.5. Các công bố trong-ngoài nước và định hướng nghiên cứu
• 1.5.1. Các công bố trong nước và thế giới
• 1.6. Lý do chọn đề tài
• 1.7. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
• 1.7.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.7.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.8. Thực nghiệm và phương pháp phân tích
• 1.8.1. Nguyên liệu và dụng cụ
• 1.8.2. Tổng hợp linear pNIPAM và linear p(NIPAM-co-HEMA)
• 1.8.3. Tổng hợp hydrogel NIPAM và semi-IPN hydrogel Linear p(NIPAM-co-HEMA)/pNIPAM
• 1.8.4. Tổng hợp semi-IPN hydrogel linear pNIPAM/p(NIPAM-co-HEMA)
• 1.8.5. Phương pháp phân tích và đánh giá
• 1.8.5.1. Phổ hồng ngoại-FTIR
• 1.8.5.2. Kính hiển vi điện tử quét - SEM
• 1.8.5.3. Phân tích nhiệt vi sai- DSC
• 1.8.5.4. Ứng xử của vật liệu trên và dưới điểm LCST
• 1.8.5.6. Chỉ số trương-Swelling ratio
• 1.8.5.7. Tốc độ trương - Swelling rate
• 1.8.5.8. Khả năng tái sử dụng
• 1.9. Vật liệu tổng hợp
• 1.9.1. Homopolymer linear pNIPAM và copolymer linear p(NIPAM-co-HEMA)
• 1.9.2. Semi-IPN hydrogel
• 1.9.2.1. Kết quả phổ IR hydrogel pNIPAM (SN1-0) và monomer NIPAM
• 1.9.2.2. Kết quả phổ IR semi-IPN hydrogel
• 1.9.3. Kết quả SEM
• 1.9.4. Kết quả DSC
• 1.9.5. Ứng xử của vật liệu trên và dưới điểm LCST
• 1.9.6. Kết quả khảo sát cơ tính
• 1.9.7. Kết quả swelling ratio
• 1.9.8. Kết quả swelling rate
• 1.9.9. Tái sử dụng vật liệu
• 2. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về semi IPN hydrogel

Semi-IPN hydrogel là một loại vật liệu polymer có cấu trúc không gian ba chiều, trong đó chứa các polymer mạch thẳng mà không có liên kết hóa học với mạng ba chiều. Vật liệu này được phát triển nhằm khắc phục những nhược điểm của các hydrogel thông thường, như chỉ số trương (swelling ratio) thấp và tốc độ trương (swelling rate) chậm. Việc sử dụng N-isopropylacrylamide (NIPAAm) làm monomer chính trong tổng hợp semi-IPN hydrogel đã cho thấy khả năng nhạy nhiệt vượt trội. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi nhiệt độ tăng, hydrogel sẽ co lại, trong khi ở nhiệt độ thấp, nó sẽ trương lên, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong việc mang thuốc. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các vật liệu thông minh có khả năng điều chỉnh tính chất theo điều kiện môi trường.

1.1 Polymer và polymer thông minh

Polymer là các đại phân tử được hình thành từ nhiều đơn phân tử giống nhau. Polymer thông minh, hay còn gọi là smart polymer, là những vật liệu có khả năng thay đổi tính chất dựa trên các tác nhân bên ngoài như nhiệt độ, pH, và ánh sáng. Các polymer này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ y sinh đến công nghệ. Đặc biệt, polymer nhạy nhiệt như NIPAAm có khả năng thay đổi trạng thái dưới tác động của nhiệt độ, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong việc mang thuốc đến các vị trí cần thiết trong cơ thể. Điều này làm cho polymer thông minh trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn và đầy tiềm năng.

1.2 Tổng quan về NIPAAm và HEMA

N-isopropylacrylamide (NIPAAm) và 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) là hai monomer chính được sử dụng trong nghiên cứu này. NIPAAm nổi bật với tính nhạy nhiệt, cho phép hydrogel được tổng hợp từ nó có khả năng trương nở và co lại theo nhiệt độ. HEMA, với tính chất ưa nước, được thêm vào để cải thiện khả năng hấp thụ nước và cơ tính của hydrogel. Sự kết hợp giữa NIPAAm và HEMA trong cấu trúc semi-IPN hydrogel đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về các chỉ số trương và tốc độ trương, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu polymer thông minh.

II. Phương pháp tổng hợp và phân tích

Quá trình tổng hợp semi-IPN hydrogel bắt đầu bằng việc tổng hợp các homopolymer và copolymer từ NIPAAm và HEMA thông qua phương pháp trùng hợp gốc tự do. Hệ xúc tác APS/TEMED được sử dụng để thúc đẩy quá trình này. Sau khi tổng hợp, các polymer mạch thẳng được đưa vào cấu trúc hydrogel pNIPAM và p(NIPAM-co-HEMA) để tạo thành semi-IPN hydrogel. Các phương pháp phân tích hiện đại như FTIR, SEM và DSC được áp dụng để xác định cấu trúc và tính chất của hydrogel. Kết quả cho thấy rằng, việc đưa HEMA vào cấu trúc semi-IPN không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ nước mà còn nâng cao cơ tính của vật liệu, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh.

2.1 Phương pháp phân tích FTIR

Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) được sử dụng để xác định sự hiện diện của các nhóm chức trong cấu trúc semi-IPN hydrogel. Kết quả FTIR cho thấy sự hình thành liên kết giữa NIPAAm và HEMA, xác nhận rằng HEMA đã được đưa vào cấu trúc hydrogel thành công. Điều này là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của hydrogel, đặc biệt là khả năng nhạy nhiệt và khả năng hấp thụ nước. Việc phân tích FTIR cung cấp thông tin quý giá về cấu trúc hóa học của vật liệu, từ đó giúp đánh giá hiệu quả của quá trình tổng hợp.

2.2 Phân tích SEM và DSC

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát hình thái học của semi-IPN hydrogel. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp với kích thước lỗ xốp từ 140 µm, cho thấy khả năng hấp thụ nước tốt. Phân tích nhiệt vi sai (DSC) được thực hiện để xác định nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) của hydrogel. Kết quả cho thấy LCST của các mẫu hydrogel nằm trong khoảng 33-35 °C, cho thấy khả năng nhạy nhiệt của vật liệu. Sự kết hợp giữa SEM và DSC cung cấp cái nhìn toàn diện về tính chất vật lý và nhiệt của semi-IPN hydrogel, từ đó khẳng định giá trị ứng dụng của nó trong y sinh.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Semi-IPN hydrogel thông minh từ N-isopropylacrylamide có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong việc mang thuốc. Khả năng nhạy nhiệt cho phép hydrogel này thực hiện cơ chế 'nhả thuốc' tại các vị trí cần thiết trong cơ thể, giúp tăng hiệu quả điều trị. Ngoài ra, với khả năng cải thiện cơ tính và khả năng hấp thụ nước, semi-IPN hydrogel có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như vật liệu tái tạo mô, hệ thống phân phối thuốc và các thiết bị y tế. Việc nghiên cứu và phát triển các loại hydrogel này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành y tế mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp polymer.

3.1 Ứng dụng trong y sinh

Hydrogel thông minh có khả năng mang thuốc đến đúng vị trí trong cơ thể, giúp tăng cường hiệu quả điều trị ung thư. Việc sử dụng polymer nhạy nhiệt như NIPAAm cho phép hydrogel co lại và nhả thuốc khi nhiệt độ tăng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều trị. Các nghiên cứu cho thấy rằng, hydrogel này có thể cải thiện khả năng nhắm mục tiêu và giảm tác dụng phụ của thuốc, từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

3.2 Tiềm năng trong công nghiệp

Ngoài ứng dụng trong y sinh, semi-IPN hydrogel còn có tiềm năng lớn trong các lĩnh vực khác như công nghệ thực phẩm, mỹ phẩm và vật liệu xây dựng. Khả năng hấp thụ nước và điều chỉnh tính chất theo điều kiện môi trường giúp hydrogel này có thể được sử dụng trong các sản phẩm như bao bì thông minh, vật liệu cách nhiệt và các sản phẩm chăm sóc sức khỏe. Việc phát triển các loại hydrogel này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực y sinh và điều trị học hiện đại, việc sử dụng các hệ dẫn truyền thuốc thông minh nhằm hướng đích chính xác đến các mô bệnh học (như khối u ung thư) đang là trọng tâm nghiên cứu. Tế bào ung thư do quá trình nguyên phân mất kiểm soát thường tạo ra vùng vi môi trường có nhiệt độ cục bộ cao hơn mô lành xung quanh. Do đó, các vật liệu polymer nhạy nhiệt có khả năng giữ và nhả thuốc theo biến thiên nhiệt độ được đánh giá là giải pháp tiềm năng để nâng cao hiệu quả điều trị trúng đích, hạn chế tác dụng phụ của thuốc lên tế bào khỏe mạnh.

Poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) là polymer nhạy nhiệt tiêu biểu với nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) xấp xỉ 32 °C – rất gần với nhiệt độ sinh lý cơ thể người. Khi ở dưới điểm LCST, pNIPAM trương nở và hấp thụ dung môi; khi nhiệt độ vượt quá LCST, các chuỗi polymer co rút mạnh và giải phóng chất mang. Tuy nhiên, hydrogel pNIPAM dạng mạng lưới đơn thông thường bộc lộ nhiều nhược điểm kỹ thuật: chỉ số trương (Swelling Ratio - SR) thấp, tốc độ trương nở và nhả trương chậm, cùng độ bền cơ tính kém. Để khắc phục các hạn chế này, cấu trúc mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN hydrogel) kết hợp với monomer ưa nước 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) được đề xuất nghiên cứu.

Đề tài đặt ra 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Tổng hợp các homopolymer mạch thẳng (linear pNIPAM) và copolymer mạch thẳng (linear p(NIPAM-co-HEMA)) dựa trên monomer NIPAM và HEMA.
2. Đưa các polymer mạch thẳng vào cấu trúc mạng không gian 3 chiều để tạo thành hai hệ cấu trúc semi-IPN hydrogel: Cấu trúc 1 (linear p(NIPAM-co-HEMA)/pNIPAM) và Cấu trúc 2 (linear pNIPAM/p(NIPAM-co-HEMA)), đồng thời tổng hợp mẫu đối chứng hydrogel pNIPAM thông thường.
3. Khảo sát cấu trúc hóa học, hình thái vi cấu trúc và tính chất nhiệt của các mẫu vật liệu thông qua các phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích nhiệt quét vi sai (DSC).
4. Xác định bằng thực nghiệm chỉ số trương (SR), động học tốc độ trương (swelling rate), ứng xử chuyển pha kích thước trên/dưới điểm LCST (25 °C và 45 °C), đánh giá định tính cơ tính biến dạng vỡ và khảo sát độ bền tái sử dụng qua 5 chu kỳ trương – nhả trương.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là vật liệu semi-IPN hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở NIPAM và HEMA. Phạm vi thực nghiệm được triển khai từ ngày 01/03/2019 đến ngày 20/07/2019 tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết về polymer thông minh kích ứng nhiệt độ (stimuli-responsive polymers), hiện tượng chuyển pha dung dịch tới hạn (LCST/UCST), cơ chế tạo gel mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN) và cơ chế phản ứng trùng hợp gốc tự do trong dung dịch.

Hệ hóa chất và monomer chính được tác giả sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:

• N-isopropylacrylamide (NIPAM) ($C_6H_{11}NO$, $M = 113{,}16\text{ g/mol}$, nhiệt độ nóng chảy 63–67 °C): Monomer nhạy nhiệt đóng vai trò tạo khung mạch chính có khả năng chuyển pha. NIPAM thương mại được tác giả tinh chế qua quy trình tái kết tinh 2 lần trong dung môi hexane để đảm bảo độ tinh khiết.
• 2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) ($C_6H_{10}O_3$, $M = 130{,}14\text{ g/mol}$): Comonomer mang nhóm chức hydroxyl (-OH) bậc một ưa nước, giúp gia tăng tính ưa nước, cải thiện độ đàn hồi và dung lượng hấp thụ nước của mạng gel.
• Ammonium persulfate (APS) ($(NH_4)2S_2O_8$) và Tetramethylethylenediamine (TEMED) ($C_6H{12}N_2$): Hệ xúc tác oxy hóa – khử (redox initiator system) tan trong nước, xúc tiến tạo 3 gốc tự do hoạt tính ở nhiệt độ phòng mà không cần gia nhiệt cao.
• N,N’-Methylenebisacrylamide (MBA) ($C_7H_{10}N_2O_2$): Tác nhân khâu mạng chứa 2 liên kết đôi vinyl, liên kết các mạch polymer thành mạng lưới không gian 3 chiều.

Hóa chất / Monomer	Công thức phân tử	Vai trò trong quá trình tổng hợp
N-isopropylacrylamide (NIPAM)	$C_6H_{11}NO$	Monomer chính, tạo tính chất nhạy nhiệt (LCST)
2-Hydroxyethyl methacrylate (HEMA)	$C_6H_{10}O_3$	Comonomer ưa nước, cải thiện cơ tính và độ trương
Ammonium persulfate (APS)	$(NH_4)_2S_2O_8$	Chất khơi mào tạo gốc tự do peroxydisulfate
Tetramethylethylenediamine (TEMED)	$C_6H_{12}N_2$	Chất xúc tiến phản ứng oxy hóa – khử với APS
N,N’-Methylenebisacrylamide (MBA)	$C_7H_{10}N_2O_2$	Tác nhân khâu mạng không gian 3 chiều

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

• Quy trình tổng hợp hóa học: Trùng hợp gốc tự do tạo polymer mạch thẳng (linear pNIPAM, linear p(NIPAM-co-HEMA)); sau đó tiến hành trùng hợp khâu mạng tạo mạng hydrogel đơn (pNIPAM) và 2 hệ hydrogel semi-IPN trong môi trường nước với sự hiện diện của polymer mạch thẳng.
• Phổ hồng ngoại FTIR: Ghi nhận sự biến mất của liên kết đôi $C=C$, xác định các dao động đặc trưng của liên kết amide (-CO-NH-) và ester/hydroxyl (-COO-, -OH) để kiểm tra việc gắn thành công HEMA vào mạng cấu trúc.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Phân tích hình thái học vi mô bề mặt cắt đông khô, đo đạc đường kính và mật độ lỗ xốp.
• Phân tích nhiệt vi sai (DSC): Xác định chính xác nhiệt độ chuyển pha thu nhiệt LCST của các mẫu polymer mạch thẳng và hydrogel.
• Đo chỉ số trương (SR) và tốc độ trương (Swelling rate): Phương pháp cân khối lượng mẫu ở trạng thái khô và trạng thái ngâm nước cân bằng tại 25 °C theo các mốc thời gian.
• Khảo sát ứng xử chuyển pha và cơ tính: Đo đạc biến thiên kích thước mẫu ở 25 °C ($T < \text{LCST}$) và 45 °C ($T > \text{LCST}$); đánh giá định tính biến dạng vỡ dưới lực nén; thử nghiệm độ bền hấp thụ qua 5 chu kỳ ngâm lạnh – ép nhiệt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu polymer thông minh, tập trung vào cơ chế nhạy nhiệt dựa trên sự cân bằng giữa liên kết hydro ưa nước (-CO-NH- với nước) và tương tác kỵ nước giữa các nhóm isopropyl (-CH(CH3)2). Tác giả phân tích chi tiết giản đồ pha LCST/UCST, cơ chế nhả thuốc theo nhiệt độ và phân loại hydrogel theo nguồn gốc, thành phần và cấu trúc liên kết. Chương này làm rõ ưu thế của mạng semi-IPN (chuỗi mạch thẳng xen kẽ tự do trong mạng 3D không tạo liên kết hóa học) so với hydrogel đơn mạng và full-IPN: semi-IPN giúp giảm mật độ liên kết cứng nhắc, gia tăng độ đàn hồi, mở rộng thể tích tự do và tăng tốc độ khuếch tán dung môi.

Chương tổng quan cũng tổng hợp chi tiết tính chất lý hóa, công thức cấu tạo của monomer NIPAM, comonomer HEMA, chất khâu mạng MBA, cùng cơ chế phản ứng tạo 3 gốc tự do của hệ xúc tác APS/TEMED trong môi trường nước. Đồng thời, tác giả tổng kết các công bố quốc tế về hydrogel pNIPAM/HEMA và chỉ ra khoảng trống nghiên cứu: các công bố trước đây chủ yếu đưa comonomer vào chuỗi mạch thẳng (dạng Cấu trúc 1), trong khi hướng đưa comonomer HEMA vào trực tiếp mạng lưới không gian 3 chiều (dạng Cấu trúc 2) chưa được khảo sát đầy đủ.

Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp phân tích

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình chế tạo mẫu và phương pháp phân tích:

• Tổng hợp linear polymer: Tiến hành hòa tan monomer NIPAM (hoặc hỗn hợp NIPAM/HEMA theo tỷ lệ mol quy định) trong nước cất, sục khí trơ, bổ sung hệ khơi mào APS/TEMED để phản ứng trùng hợp gốc tự do diễn ra hoàn toàn, thu được dung dịch linear pNIPAM và linear copolymer p(NIPAM-co-HEMA).
• Tổng hợp hydrogel pNIPAM và semi-IPN hydrogel:
  • Mẫu đối chứng SN1-0: Trùng hợp monomer NIPAM với chất khâu mạng MBA dưới xúc tác APS/TEMED.
  • Semi-IPN Cấu trúc 1 (mã mẫu SN1-1, SN1-2, SN1-3): Trùng hợp NIPAM và MBA trong môi trường chứa sẵn linear copolymer p(NIPAM-co-HEMA) với các nồng độ linear tăng dần.
  • Semi-IPN Cấu trúc 2 (mã mẫu SN2-1, SN2-2, SN2-3): Đồng trùng hợp NIPAM, HEMA và MBA trong môi trường chứa sẵn linear homopolymer pNIPAM với các nồng độ linear tăng dần.
• Phương pháp phân tích: Mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu đông khô để đo SEM, điều kiện chạy phổ FTIR từ 4000 đến 400 $\text{cm}^{-1}$, quét nhiệt DSC trong dải nhiệt độ khảo sát chuyển pha, quy trình cân đo xác định tỷ lệ trương $SR = (W_s - W_d) / W_d$ và mô hình đo độ co kích thước trong bể điều nhiệt ở 25 °C và 45 °C.

Chương 3. Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu:

• Phổ FTIR: Phổ của hydrogel pNIPAM và các mẫu semi-IPN cho thấy sự biến mất hoàn toàn của đỉnh hấp thụ liên kết đôi vinyl $C=C$ ($\sim 1620\text{ cm}^{-1}$), chứng minh phản ứng trùng hợp đạt hiệu suất cao. Mẫu semi-IPN xuất hiện đồng thời dải hấp thụ nhóm cacbonyl ester ($C=O$) của HEMA tại $1720\text{ cm}^{-1}$ và dải hấp thụ amide I, II của NIPAM tại $1650\text{ cm}^{-1}$ và $1540\text{ cm}^{-1}$, xác nhận HEMA đã gắn kết thành công vào cấu trúc.
• Hình thái SEM: Mẫu hydrogel pNIPAM đơn mạng có cấu trúc mạng lưới đặc khít. Ngược lại, các mẫu semi-IPN hydrogel (SN1-1, SN1-3, SN2-1, SN2-3) hình thành mạng lưới xốp tổ ong phân nhánh đồng đều với kích thước lỗ xốp micro xấp xỉ từ 140 nm trở lên. Khi tăng hàm lượng polymer mạch thẳng, kích thước lỗ xốp có xu hướng tăng, tạo kênh khuếch tán mao dẫn thuận lợi cho nước ra vào.
• Nhiệt độ chuyển pha LCST (DSC): Các mẫu linear polymer có điểm LCST thực nghiệm ở mức 31 °C. Khi khâu mạng thành hydrogel và semi-IPN, điểm LCST dịch chuyển nhẹ lên khoảng 33 °C (dao động trong khoảng 33–34 °C).
• Ứng xử nhiệt và biến thiên kích thước: Ở 25 °C ($T < \text{LCST}$), tất cả các mẫu đều ở trạng thái trương nở mềm, trong suốt hoặc mờ nhẹ. Khi nâng nhiệt độ lên 45 °C ($T > \text{LCST}$), mẫu nhanh chóng chuyển sang màu trắng đục và co rút thể tích mạnh. Tác giả ghi nhận mẫu có hàm lượng mạch thẳng càng cao thì mức độ co cụm thể tích càng lớn.
• Chỉ số trương (SR) và tốc độ trương: Các mẫu semi-IPN thể hiện chỉ số trương cân bằng và tốc độ hút nước vượt trội so với hydrogel pNIPAM thông thường. Việc đưa comonomer HEMA giàu nhóm -OH vào cấu trúc giúp tăng mạnh lượng nước liên kết. Cấu trúc 2 cho tốc độ trương ban đầu nhanh hơn nhờ mạng 3D chứa HEMA phân cực cao tiếp xúc trực tiếp với môi trường nước.
• Khảo sát cơ tính định tính: Dưới tác dụng của lực nén cơ học, hydrogel pNIPAM đơn mạng thể hiện tính giòn và dễ nứt vỡ ở độ biến dạng thấp. Các mẫu semi-IPN hydrogel chịu được độ biến dạng nén lớn hơn mà không bị phá hủy; hàm lượng chuỗi mạch thẳng càng cao thì khả năng biến dạng đàn hồi của gel càng tăng.
• Độ bền tái sử dụng: Sau 5 chu kỳ chuyển đổi nhiệt độ (25 °C $\leftrightarrow$ 45 °C), khả năng hấp thụ nước của hydrogel pNIPAM đơn mạng duy trì ở mức 92%, trong khi Cấu trúc 1 duy trì 70% và Cấu trúc 2 đạt 67% so với dung lượng hấp thụ ban đầu.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công hai dạng cấu trúc semi-IPN hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở NIPAM và HEMA, cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm đầy đủ về cấu trúc, nhiệt độ chuyển pha, hình thái xốp và động học trương nở.

Tiêu chí khảo sát	Hydrogel pNIPAM (SN1-0)	Semi-IPN Cấu trúc 1	Semi-IPN Cấu trúc 2
Thành phần mạng 3D	Mạng pNIPAM khâu mạch MBA	Mạng pNIPAM khâu mạch MBA	Mạng p(NIPAM-co-HEMA) khâu mạch MBA
Thành phần chuỗi mạch thẳng	Không có	Linear p(NIPAM-co-HEMA)	Linear pNIPAM
Nhiệt độ chuyển pha LCST	$\sim 33\text{ }^\circ\text{C}$	$33 - 34\text{ }^\circ\text{C}$	$33 - 34\text{ }^\circ\text{C}$
Hình thái lỗ xốp (SEM)	Mạng đặc, lỗ xốp nhỏ	Lỗ xốp tổ ong từ 140 nm	Lỗ xốp tổ ong phân nhánh
Chỉ số trương (SR) & Tốc độ trương	Thấp nhất	Cao hơn SN1-0, tăng theo hàm lượng HEMA	Cao hơn SN1-0, tốc độ trương ban đầu nhanh
Độ bền cơ tính (Biến dạng vỡ)	Giòn, biến dạng vỡ thấp	Đàn hồi tốt, biến dạng vỡ tăng theo lượng linear	Đàn hồi tốt, chịu lực nén cao hơn
Dung lượng nước sau 5 chu kỳ	$92%$	$70%$	$67%$

Các kết quả và đóng góp chính của tác giả bao gồm:

• Xác định ảnh hưởng của comonomer HEMA: Chứng minh thực nghiệm việc kết hợp HEMA vào hệ hydrogel nhạy nhiệt pNIPAM giúp khắc phục nhược điểm giòn gãy và chỉ số trương thấp của pNIPAM nguyên bản, đồng thời duy trì điểm chuyển pha LCST ở vùng nhiệt độ sinh lý (33–34 °C).
• So sánh hai cấu trúc semi-IPN: Cung cấp đóng góp mới khi khảo sát có hệ thống Cấu trúc 2 (đưa HEMA vào mạng lưới 3D), cho thấy cấu trúc này mang lại khả năng đáp ứng trương nở ban đầu nhanh chóng, tạo cơ sở khoa học để lựa chọn kiến trúc mạng phù hợp cho từng mục đích ứng dụng.
• Đề xuất giải pháp kỹ thuật: Khuyến nghị ứng dụng vật liệu semi-IPN hydrogel pNIPAM/HEMA vào hệ dẫn thuốc trúng đích kiểm soát nhiệt độ, hoặc ứng dụng làm màng hấp phụ xử lý ion kim loại nặng trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận một số hạn chế gắn liền với phạm vi thực nghiệm:

• Đánh giá cơ tính mới dừng lại ở mức độ khảo sát định tính biến dạng nén nứt vỡ, chưa đo đạc các chỉ tiêu cơ lý định lượng như mô đun đàn hồi Young hay độ bền kéo đứt trên máy kéo nén vạn năng chuyên dụng.
• Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp và đánh giá tính chất hóa lý của vật liệu nền; chưa thực hiện các thử nghiệm nạp thuốc thực tế (như insulin, ibuprofen) và đo đường cong giải phóng hoạt chất (in vitro / in vivo).
• Sau 5 chu kỳ trương – nhả nhiệt độ, độ thu hồi dung lượng hấp thụ nước của cấu trúc semi-IPN bị suy giảm nhiều hơn so với hydrogel đơn (còn 67–70%), do hiện tượng thất thoát một phần chuỗi polymer mạch thẳng không liên kết hóa học sau nhiều lần co giãn mạng lưới.

Hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Tối ưu hóa khối lượng phân tử chuỗi polymer mạch thẳng và mật độ khâu mạng MBA để hạn chế sự thất thoát chuỗi linear qua các chu kỳ tái sử dụng.
• Tiến hành thử nghiệm nạp và nhả các loại dược chất mô hình tại các dải nhiệt độ $37\text{ }^\circ\text{C}$ và $40\text{ }^\circ\text{C}$ nhằm đánh giá khả năng ứng dụng thực tế trong điều trị ung thư.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Công nghệ Hóa Polymer, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Y sinh.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong văn bản:

• Quy trình thực nghiệm chi tiết về kỹ thuật tinh chế NIPAM bằng tái kết tinh trong hexane và quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel bằng hệ xúc tác oxy hóa – khử APS/TEMED ở điều kiện nhiệt độ phòng.
• Cơ sở phương pháp luận và dữ liệu thực nghiệm đối sánh giữa phổ hồng ngoại FTIR, ảnh chụp vi cấu trúc SEM và giản đồ nhiệt vi sai DSC của vật liệu nhạy nhiệt.
• Phương pháp khảo sát động học trương nở, đánh giá điểm LCST và kiểm tra độ bền chu kỳ nhiệt của vật liệu polymer thông minh.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc 1 và Cấu trúc 2 trong khóa luận khác nhau như thế nào về mặt cấu tạo hóa học?
Cấu trúc 1 gồm mạng lưới không gian 3 chiều là poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) khâu mạng bằng MBA, bên trong chứa các chuỗi copolymer mạch thẳng linear p(NIPAM-co-HEMA). Cấu trúc 2 gồm mạng lưới không gian 3 chiều là copolymer p(NIPAM-co-HEMA) khâu mạng bằng MBA, bên trong chứa các chuỗi homopolymer mạch thẳng linear pNIPAM.

2. Vì sao tác giả lựa chọn monomer HEMA để đồng trùng hợp với NIPAM?
HEMA chứa nhóm chức hydroxyl (-OH) bậc một có tính ưa nước mạnh và nhóm ester linh động. Khi đưa vào cấu trúc, HEMA giúp tăng số lượng nhóm ưa nước, nâng cao chỉ số trương nở (SR), tăng tốc độ khuếch tán nước và cải thiện độ đàn hồi cơ học, khắc phục tính giòn của hydrogel pNIPAM nguyên bản.

3. Hệ xúc tác oxy hóa – khử APS/TEMED tạo gốc tự do như thế nào trong phản ứng tổng hợp?
Trong môi trường nước, APS phân ly thành anion persulfate ($S_2O_8^{2-}$). Anion này tương tác với TEMED bằng cách tấn công vào hydro linh động của nhóm thế methyl gắn trên nguyên tử nitơ của TEMED, tạo ra các gốc tự do trên phân tử TEMED và gốc sulfate ion ($SO_4^{\bullet-}$). Toàn bộ quá trình tạo ra 3 gốc tự do hoạt tính, giúp phản ứng trùng hợp gốc tự do diễn ra nhanh chóng ở nhiệt độ phòng.

4. Nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) của các mẫu vật liệu đo được qua DSC là bao nhiêu?
Dữ liệu DSC cho thấy các polymer mạch thẳng (linear pNIPAM và linear p(NIPAM-co-HEMA)) có nhiệt độ chuyển pha LCST khoảng 31 °C. Khi tạo thành cấu trúc hydrogel và semi-IPN hydrogel, điểm LCST dịch chuyển nhẹ lên khoảng 33 °C (nằm trong dải 33–34 °C).

5. Khả năng tái sử dụng của các cấu trúc hydrogel sau 5 chu kỳ trương – nhả nhiệt độ diễn biến ra sao?
Sau 5 chu kỳ ngâm nước ở 25 °C và ép co rút ở 45 °C, hydrogel pNIPAM đơn mạng duy trì được 92% dung lượng hấp thụ nước ban đầu. Cấu trúc 1 duy trì được 70% và Cấu trúc 2 duy trì được 67% dung lượng hấp thụ nước so với chu kỳ đầu tiên.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Tấn Đạt đã tổng hợp thành công hai hệ vật liệu semi-IPN hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở NIPAM và HEMA bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do sử dụng hệ xúc tác APS/TEMED và chất khâu mạng MBA. Kết quả phân tích FTIR, SEM và DSC khẳng định vật liệu sở hữu cấu trúc xốp tổ ong đồng đều, gắn kết thành công monomer HEMA và duy trì nhiệt độ chuyển pha LCST ổn định tại vùng 33–34 °C. Sự hiện diện của HEMA và cấu trúc semi-IPN đã cải thiện chỉ số trương, tốc độ trương nở và tính đàn hồi cơ học so với hydrogel pNIPAM truyền thống. Đây là công trình nghiên cứu thực nghiệm hoàn chỉnh, cung cấp dữ liệu khoa học có giá trị cho định hướng phát triển vật liệu dẫn thuốc thông minh và vật liệu xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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].