Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật vật liệu và kỹ thuật y sinh hiện đại, việc phát triển các dòng vật liệu mềm có tính tương thích sinh học cao và khả năng dẫn truyền tín hiệu linh hoạt đang là trọng tâm nghiên cứu nhằm thay thế các vật liệu kim loại hoặc hợp chất gốc carbon truyền thống. Các vật liệu truyền thống tuy có độ bền cơ học và độ dẫn điện cao nhưng lại tồn tại các nhược điểm cố hữu như độ cứng lớn, thiếu tính linh hoạt, giá thành cao và nguy cơ gây độc tính tế bào khi tiếp xúc lâu dài với mô sống. Hydrogel với cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều (3D) ngậm nước, mềm dẻo, có khả năng mô phỏng ma trận ngoại bào sinh học nổi lên như một giải pháp thay thế tiềm năng. Tuy nhiên, hydrogel thông thường thường gặp phải ba thách thức chính: độ bền cơ học kém do hàm lượng nước cao, độ dẫn điện tự nhiên thấp và độ ổn định cấu trúc chưa đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế.

Để khắc phục các hạn chế trên, nghiên cứu tập trung phát triển hệ vật liệu hydrogel mạng polymer bán đan xen (Semi-IPN) kết hợp giữa polymer sinh học tự nhiên sodium alginate (SA) và polymer tổng hợp polyacrylic acid (PAA), đồng thời tích hợp thêm ion đồng ($\text{Cu}^{2+}$) và hạt nano đồng ($\text{CuNP}$) nhằm gia tăng cơ tính, độ dẫn điện và hoạt tính kháng khuẩn.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu, xây dựng quy trình tổng hợp Semi-IPN hydrogel từ sodium alginate và monomer acid acrylic.
  2. Khảo sát và đánh giá các thông số phản ứng ảnh hưởng đến tính chất của Semi-IPN hydrogel (hàm lượng chất khơi mào $\text{APS}$, nồng độ chất khâu mạng $\text{CaCl}_2$ và thời gian ngâm khâu mạng).
  3. Tổng hợp hydrogel composite khi kết hợp với ion $\text{Cu}^{2+}$ và hạt nano $\text{Cu}$.
  4. Khảo sát và đánh giá khả năng trương nở, cơ tính, độ dẫn điện và khả năng kháng khuẩn của các hệ hydrogel tổng hợp được.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng hydrogel Semi-IPN tạo thành từ sodium alginate, monomer acid acrylic ($\text{SA-PAA}$); hydrogel mang ion đồng ($\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$) và hydrogel nanocomposite chứa hạt nano đồng ($\text{SA-PAA@Cu}$).
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu được thực hiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm B214, khu B, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; hoàn thành vào tháng 08 năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng

  • Sodium Alginate (SA): Polysaccharide tự nhiên cấu tạo từ các khối monomer acid $\beta$-D-mannuronic (khối M) và acid $\alpha$-L-guluronic (khối G) liên kết qua cầu nối glycosidic ($\beta$-1,4 và $\alpha$-1,4). Quá trình khâu mạng ion của alginate với ion $\text{Ca}^{2+}$ diễn ra theo mô hình "hộp trứng" (egg-box model), trong đó ion $\text{Ca}^{2+}$ phối trí với các nhóm carboxylate ($-\text{COO}^-$) và hydroxyl ($-\text{OH}$) tại các đoạn liên kết GG liên tiếp giữa các mạch polymer, thay thế ion $\text{Na}^+$ để tạo liên kết ngang vững chắc.
  • Polyacrylic Acid (PAA) và phản ứng trùng hợp gốc tự do: Monomer acid acrylic ($\text{AA}$) trải qua quá trình trùng hợp gốc tự do dưới tác dụng nhiệt ($70^\circ\text{C}$) và chất khơi mào ammonium persulfate ($\text{APS}$). $\text{APS}$ phân hủy nhiệt sinh ra các gốc tự do anion sulfate ($\text{SO}_4^{\bullet-}$), kích hoạt liên kết đôi của $\text{AA}$ để tạo chuỗi polymer mạch thẳng $\text{PAA}$.
  • Cấu trúc Semi-IPN: Mạng lưới gồm chuỗi $\text{SA}$ được khâu mạng ion bằng $\text{CaCl}_2$ đan xen vật lý với các chuỗi polymer mạch thẳng $\text{PAA}$ không liên kết hóa học, giúp phân tán ứng suất cơ học và tăng độ dẻo dai cho gel.
  • Cơ chế nạp và khử nano đồng: Ion $\text{Cu}^{2+}$ khuếch tán vào mạng lưới hydrogel nhờ chênh lệch nồng độ và tương tác với các nhóm chức phân cực ($-\text{COOH}$, $-\text{COO}^-$). Sau đó, chất khử mạnh sodium borohydride ($\text{NaBH}_4$) trong môi trường kiềm khử ion $\text{Cu}^{2+}$ thành hạt nano đồng kim loại ($\text{Cu}^0$) phân tán tại chỗ (in-situ) theo phương trình: $$4\text{Cu}^{2+} + \text{BH}_4^- + 8\text{OH}^- \rightarrow 4\text{Cu}^0 + \text{B(OH)}_4^- + 4\text{H}_2\text{O}$$
  • Cơ chế kháng khuẩn: Các hạt $\text{CuNP}$ và ion $\text{Cu}^{2+}$ giải phóng từ hydrogel làm biến tính cấu trúc bậc ba của protein vi khuẩn, liên kết với các nhóm chứa lưu huỳnh/carboxylat/amino của enzym, oxy hóa phá vỡ lipid màng tế bào và gây phân hủy DNA của vi sinh vật.

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật thực nghiệm

  1. Phương pháp tổng hợp hóa học: Trùng hợp gốc tự do gia nhiệt kết hợp khâu mạng ion hai bước; khuếch tán ion kim loại và khử hóa học tạo nanocomposite.
  2. Phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái:
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Xác định các nhóm chức hóa học đặc trưng và liên kết liên phân tử.
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Đánh giá cấu trúc tinh thể của hạt nano đồng trong nền hydrogel.
    • Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis: Khảo sát tín hiệu hấp thụ đặc trưng của ion $\text{Cu}^{2+}$ và bề mặt cộng hưởng plasmon của nano đồng.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phần mềm ImageJ: Đánh giá hình thái bề mặt cắt, đo kích thước và độ xốp của mạng lưới gel.
  3. Phương pháp khảo sát cơ lý và hóa sinh:
    • Xác định thời gian gel hóa của hỗn hợp phản ứng.
    • Đo tỷ lệ trương nở cân bằng (Swelling Ratio - SR) trong môi trường nước cất.
    • Kiểm tra cơ tính kéo và nén trên máy đo cơ tính vạn năng M350 – 10CT.
    • Đo điện trở của vật liệu bằng thiết bị đồng hồ vạn năng số DT – 9205A.
    • Đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với vi khuẩn Escherichia coli (E. coli) bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch qua quan sát đường kính vòng kháng khuẩn sau 24 giờ nuôi cấy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về vật liệu hydrogel, tập trung vào định nghĩa, phân loại theo bản chất nối ngang (hydrogel liên kết vật lý kém bền và hydrogel liên kết hóa học có tính ổn định cao), cũng như cấu trúc mạng lưới polymer đan xen (IPN và Semi-IPN). Tác giả phân tích chi tiết tổng quan về hydrogel nanocomposite kết hợp hạt nano đồng ($\text{CuNP}$), các phương pháp điều chế nano đồng (khử hóa học, phân hủy nhiệt, hỗ trợ vi sóng) và các cơ chế tương tác kháng khuẩn của ion đồng đối với cấu trúc tế bào vi sinh vật.

Bên cạnh đó, chương này tổng kết các lĩnh vực ứng dụng thực tiễn của hydrogel:

  • Y sinh và dược phẩm: Hệ thống mang và giải phóng thuốc có kiểm soát, vật liệu băng gạc điều trị vết thương không dính mô, khung xương tế bào (scaffold) trong kỹ thuật mô sụn.
  • Môi trường: Xử lý nước thải thông qua hấp phụ các ion kim loại nặng ($\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cd}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$, $\text{Cu}^{2+}$).
  • Điện tử sinh học: Cảm biến linh hoạt dán trên da theo dõi tín hiệu sinh lý liên tục, robot mềm và siêu tụ điện (supercapacitor hydrogel) tự phục hồi.

Chương 1 cũng trình bày toàn diện thông tin lý hóa của hệ nguyên liệu nghiên cứu bao gồm Sodium Alginate, Acid Acrylic, chất khơi mào Ammonium Persulfate, muối $\text{CuSO}_4\cdot5\text{H}_2\text{O}$ và chất khử $\text{NaBH}_4$, kèm nguyên lý hoạt động của các phương pháp phân tích FTIR, SEM, XRD, UV-Vis và phép đo trương nở (SR).

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất, dụng cụ và quy trình thực nghiệm gồm 3 bước điều chế chính:

  1. Tổng hợp hydrogel nền SA-PAA: Hòa tan sodium alginate trong nước cất, phối trộn với monomer acid acrylic, bổ sung chất khơi mào $\text{APS}$, ủ nhiệt tại $70^\circ\text{C}$ để xảy ra phản ứng trùng hợp tạo gel $\text{PAA}$, sau đó ngâm mẫu trong dung dịch $\text{CaCl}_2$ để thực hiện quá trình khâu mạng ion cho các mạch $\text{SA}$.
  2. Điều chế hydrogel SA-PAA@Cu2+: Mẫu gel $\text{SA-PAA}$ sau khi rửa sạch được ngâm trong dung dịch muối $\text{CuSO}_4$ để ion $\text{Cu}^{2+}$ khuếch tán vào cấu trúc xốp và liên kết phối trí với các nhóm chức phân cực.
  3. Điều chế hydrogel nanocomposite SA-PAA@Cu: Mẫu $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ được tiếp tục ngâm trong dung dịch khử $\text{NaBH}_4$ ở điều kiện kiềm hóa nhẹ để khử trực tiếp ion $\text{Cu}^{2+}$ thành hạt $\text{Cu}^0$ phân tán trong gel.

Chương này cũng thiết lập chi tiết quy trình kiểm tra các chỉ tiêu thực nghiệm: đo thời gian gel hóa khi thay đổi tỷ lệ $\text{APS}$; xác định tỷ lệ trương nở $\text{SR}$ theo thời gian; kiểm tra cơ lý kéo (độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt) và độ bền nén trên thiết bị M350-10CT; đo điện trở $R$ bằng thiết bị DT-9205A; và quy trình thử hoạt tính kháng khuẩn E. coli trên đĩa thạch dinh dưỡng.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 công bố và thảo luận chi tiết các kết quả phân tích thực nghiệm thu được:

  • Phân tích phổ FTIR: Khẳng định sự xuất hiện đầy đủ các dao động đặc trưng của nhóm carbonyl ($-\text{C}=\text{O}$ của $\text{PAA}$), dao động liên kết hydro và nhóm carboxylate ($-\text{COO}^-$ của $\text{SA}$), chứng minh mạng lưới polymer bán đan xen đã được tổng hợp thành công.
  • Ảnh hưởng của thông số điều chế đến hydrogel SA-PAA:
    • Hàm lượng chất khơi mào APS: Khi tăng nồng độ $\text{APS}$, mật độ gốc tự do sinh ra tăng làm giảm thời gian gel hóa của hệ; độ bền kéo của hydrogel có xu hướng tăng dần. Nồng độ $\text{APS}$ tối ưu được xác định là $1.8\text{ M}$.
    • Nồng độ $\text{CaCl}_2$ và thời gian ngâm: Tăng nồng độ muối khâu mạng $\text{CaCl}_2$ và kéo dài thời gian ngâm làm tăng mật độ liên kết "egg-box", khiến cấu trúc mạng lưới co cụm đặc khít hơn. Hệ quả là độ trương nở $\text{SR}$ giảm dần nhưng độ bền kéo tăng rõ rệt. Thời gian ngâm khâu mạng tối ưu được lựa chọn là 3 ngày.
  • Đặc trưng cấu trúc của SA-PAA@Cu2+ và SA-PAA@Cu:
    • Phổ XRD và UV-Vis: Kết quả đo quang phổ xác nhận sự hiện diện của ion $\text{Cu}^{2+}$ phối trí trong mẫu $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ và sự hình thành đỉnh hấp thụ plasmon đặc trưng cho hạt nano đồng kim loại trong mẫu $\text{SA-PAA@Cu}$.
    • Hình thái cấu trúc qua SEM: Mẫu hydrogel trắng $\text{SA-PAA}$ thể hiện cấu trúc mạng lưới xốp với nhiều lỗ trống phân bố đồng đều. Mẫu $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ có cấu trúc rất đặc khít, kích thước lỗ trống thu nhỏ do lực hút tĩnh điện và liên kết phối trí ion $\text{Cu}^{2+}$. Mẫu $\text{SA-PAA@Cu}$ lại có cấu trúc xốp cao và lỏng lẻo hơn do quá trình giải phóng khí trong phản ứng khử và sự giãn rộng cấu trúc mạng.
  • So sánh tính chất ba hệ hydrogel: Chương này phân tích chi tiết mối quan hệ giữa hình thái vi cấu trúc với các đại lượng cơ tính, trương nở, điện trở và khả năng diệt khuẩn của từng mẫu vật liệu.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã chế tạo thành công ba hệ vật liệu hydrogel và lượng hóa toàn diện các chỉ tiêu cơ lý, điện hóa và sinh học thông qua dữ liệu thực nghiệm cụ thể.

Bảng tổng hợp so sánh tính chất các mẫu hydrogel

Mẫu hydrogel Độ trương nở cân bằng (SR) Độ bền kéo ($\text{kPa}$) Module nén ($\text{kPa}$) Khả năng dẫn điện (Điện trở $R$) Khả năng kháng khuẩn E. coli
SA-PAA Trung bình $169.0$ $14.xx$ Thấp (Điện trở cao nhất) Có biểu hiện kháng khuẩn nhẹ
SA-PAA@Cu2+ Thấp nhất (Cấu trúc đặc khít) $659.0$ (Cao nhất) $21.58$ Cao (Điện trở thấp nhất) Tốt nhất (Vòng kháng khuẩn lớn nhất)
SA-PAA@Cu Cao nhất ($SR \approx 235%$) $153.0$ (Thấp nhất) $42.25$ (Cao nhất) Tốt (Điện trở trung gian) Tốt (Xuất hiện vòng ức chế rõ rệt)

Phát hiện và kết quả chính

  1. Về cơ tính: Hydrogel $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ thể hiện độ bền kéo vượt trội đạt $659.0\text{ kPa}$, cao gấp gần 4 lần so với hydrogel nền $\text{SA-PAA}$ ($169.0\text{ kPa}$) và mẫu chứa nano đồng $\text{SA-PAA@Cu}$ ($153.0\text{ kPa}$). Điều này bắt nguồn từ mật độ liên kết ion phối trí dày đặc của $\text{Cu}^{2+}$ làm tăng cường lực liên kết nội tại. Ngược lại, hydrogel $\text{SA-PAA@Cu}$ lại có khả năng chịu nén tốt nhất với module nén đạt $42.25\text{ kPa}$ (so với $21.58\text{ kPa}$ ở $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ và khoảng $14\text{ kPa}$ ở $\text{SA-PAA}$).
  2. Về khả năng trương nở: Độ trương nở tăng dần theo thứ tự $\text{SA-PAA@Cu}^{2+} < \text{SA-PAA} < \text{SA-PAA@Cu}$. Mẫu chứa nano đồng có độ xốp lỏng lẻo tạo không gian lớn cho phân tử nước thâm nhập, đạt giá trị $\text{SR}$ tối đa.
  3. Về khả năng dẫn điện: Cả hai mẫu chứa đồng đều cải thiện vượt bậc khả năng dẫn điện so với hydrogel polymer ban đầu. Điện trở đo được sắp xếp theo thứ tự giảm dần: $\text{SA-PAA} > \text{SA-PAA@Cu} > \text{SA-PAA@Cu}^{2+}$, chứng minh ion $\text{Cu}^{2+}$ tự do và hạt $\text{CuNP}$ đóng vai trò là chất mang điện tích hiệu quả trong mạng gel.
  4. Về hoạt tính kháng khuẩn: Cả ba mẫu đều thể hiện hoạt tính ức chế vi khuẩn E. coli, trong đó mẫu $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ cho đường kính vòng tròn kháng khuẩn lớn nhất nhờ tốc độ giải phóng và khuếch tán ion đồng cao.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng thành công quy trình điều chế hydrogel dẫn điện và kháng khuẩn dựa trên sự kết hợp giữa polymer tự nhiên ($\text{SA}$) và polymer tổng hợp ($\text{PAA}$) thông qua phương pháp trùng hợp gốc tự do kết hợp khâu mạng ion và phản ứng khử hóa học tại chỗ.
  • Làm sáng tỏ ảnh hưởng của các trạng thái đồng khác nhau (dạng ion $\text{Cu}^{2+}$ liên kết phối trí so với dạng hạt nano $\text{Cu}^0$ kim loại) đến cấu trúc lỗ xốp, cơ tính kéo/nén và cơ chế dẫn điện của mạng hydrogel.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung thực nghiệm được trình bày trong văn bản khóa luận, nghiên cứu tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

  • Giới hạn về phạm vi khảo sát sinh học: Khả năng kháng khuẩn mới chỉ được thử nghiệm trên một chủng vi khuẩn mô hình là vi khuẩn Gram âm Escherichia coli, chưa mở rộng sang các chủng vi khuẩn Gram dương (như Staphylococcus aureus) hoặc nấm men.
  • Đánh giá độc tính tế bào: Văn bản chưa thực hiện các thử nghiệm đánh giá độc tính tế bào tế vi sinh (in-vitro cytotoxicity assay) để kiểm tra nồng độ an toàn sinh học của hạt nano đồng và ion đồng tự do khi tiếp xúc trực tiếp với tế bào người.
  • Độ ổn định hóa học của nano đồng: Do hạt nano đồng trong tự nhiên rất dễ bị oxy hóa thành các dạng oxit ($\text{Cu}_2\text{O}$, $\text{CuO}$) trong môi trường ẩm và không khí, nghiên cứu chưa khảo sát độ suy giảm hoạt tính và độ bền dẫn điện theo thời gian lưu trữ dài hạn.
  • Môi trường trương nở: Phép đo độ trương nở mới thực hiện chủ yếu trong môi trường nước cất, chưa khảo sát hành vi trương nở nhạy pH hoặc độ phân giải trong dung dịch sinh lý mô phỏng (PBS).

Hướng nghiên cứu mở rộng:

  • Nghiên cứu cơ chế bảo vệ bề mặt hạt nano đồng nhằm chống lại quá trình oxy hóa tự nhiên trong cấu trúc gel ngậm nước.
  • Thực hiện các phép thử tương thích sinh học, nuôi cấy tế bào và thử nghiệm độc tính để xác định giới hạn ứng dụng trong y tế.
  • Khảo sát ứng dụng thực tế của hydrogel làm màng cảm biến biến dạng (strain sensor) hoặc băng dán vết thương kháng khuẩn có kiểm soát.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và định hướng nghiên cứu sau:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa Dược, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Vật liệu Polymer & Composite, và Kỹ thuật Y sinh.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Quy trình chi tiết điều chế mạng polymer bán đan xen (Semi-IPN) kết hợp giữa phản ứng trùng hợp gốc tự do và phản ứng khâu mạng ion hai bước.
    • Phương pháp đưa ion kim loại và kỹ thuật khử hóa học in-situ bằng $\text{NaBH}_4$ để tạo vật liệu nanocomposite đồng nhất trong nền gel.
    • Phương pháp phân tích, đối chiếu mối tương quan giữa hình thái lỗ xốp (ảnh chụp SEM) với các tính chất cơ học (kéo, nén), khả năng giữ nước (trương nở) và độ dẫn điện của vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hydrogel SA-PAA@Cu2+ lại có độ bền kéo cao nhất nhưng độ trương nở lại thấp nhất trong các mẫu?

Mẫu $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ chứa các ion $\text{Cu}^{2+}$ tự do tạo thành mạng lưới liên kết phối trí và liên kết ion bổ sung với các nhóm carboxylate ($-\text{COO}^-$) của cả chuỗi $\text{SA}$ và $\text{PAA}$. Các liên kết này làm tăng mật độ khâu mạng tổng thể, kéo các chuỗi polymer lại gần nhau tạo nên cấu trúc vi mô đặc khít và lỗ trống nhỏ (được chứng minh qua ảnh SEM). Cấu trúc đặc khít này cản trở sự thâm nhập của phân tử nước (làm giảm độ trương nở) nhưng lại gia tăng đáng kể khả năng chịu tải cơ học kéo đứt, giúp độ bền kéo đạt tới $659.0\text{ kPa}$.

2. Thông số tối ưu để tổng hợp hydrogel nền SA-PAA được tác giả xác định là gì?

Dựa trên các khảo sát về thời gian gel hóa, độ trương nở và độ bền cơ tính kéo:

  • Nồng độ chất khơi mào $\text{APS}$ tối ưu được chọn là $1.8\text{ M}$ (đảm bảo thời gian gel hóa nhanh và cơ tính tốt).
  • Thời gian ngâm mẫu trong dung dịch chất khâu mạng $\text{CaCl}_2$ tối ưu là 3 ngày (nhằm hoàn thiện quá trình thế ion $\text{Na}^+$ bằng $\text{Ca}^{2+}$ và hình thành cấu trúc "egg-box" bền vững).

3. Phương pháp khử ion Cu2+ thành nano đồng trong mạng hydrogel được thực hiện bằng tác nhân nào?

Phản ứng khử được thực hiện thông qua phương pháp gián tiếp (in-situ chemical reduction): Sau khi ion $\text{Cu}^{2+}$ khuếch tán vào mạng lưới hydrogel $\text{SA-PAA}$, mẫu được ngâm trong dung dịch chất khử mạnh sodium borohydride ($\text{NaBH}_4$) trong môi trường kiềm nhẹ để khử ion $\text{Cu}^{2+}$ thành hạt nano đồng kim loại $\text{Cu}^0$ phân tán trực tiếp bên trong cấu trúc gel.

4. Sự khác biệt về hình thái vi cấu trúc bên trong (ảnh SEM) giữa ba mẫu hydrogel là gì?

  • SA-PAA: Cấu trúc mạng lưới xốp với các lỗ rỗng phân bố tương đối đồng đều.
  • SA-PAA@Cu2+: Cấu trúc co cụm, đặc khít với các lỗ xốp có kích thước rất nhỏ do lực liên kết ion/phối trí mạnh giữa ion $\text{Cu}^{2+}$ và khung polymer.
  • SA-PAA@Cu: Cấu trúc mạng có độ xốp cao và lỏng lẻo, tạo ra nhiều khoảng trống lớn do tác động của phản ứng khử giải phóng bọt khí và sự phân tán hạt nano.

5. Kết quả thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn trên vi khuẩn E. coli giữa các mẫu hydrogel cho thấy điều gì?

Cả ba mẫu hydrogel đều thể hiện hoạt tính kháng khuẩn. Trong đó, mẫu $\text{SA-PAA@Cu}^{2+}$ cho đường kính vòng tròn ức chế vi khuẩn lớn nhất do tốc độ khuếch tán và tương tác trực tiếp của các ion đồng $\text{Cu}^{2+}$ tự do lên màng tế bào vi khuẩn diễn ra mạnh mẽ hơn so với dạng hạt nano đồng đã được cố định trong mạng gel.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Minh Tuấn đã xây dựng thành công quy trình điều chế hệ vật liệu hydrogel mạng bán đan xen $\text{SA-PAA}$ kết hợp với ion đồng và hạt nano đồng. Các kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng sự hiện diện của $\text{Cu}^{2+}$ giúp tối ưu hóa độ bền kéo lên đến $659.0\text{ kPa}$ cùng khả năng kháng khuẩn vượt trội, trong khi hạt nano $\text{CuNP}$ cải thiện module nén ($42.25\text{ kPa}$) và nâng cao khả năng trương nở của vật liệu. Công trình cung cấp các dữ liệu khoa học tin cậy và mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu hydrogel dẫn điện đa chức năng trong các lĩnh vực cảm biến sinh học, băng gạc y tế và xử lý môi trường.