Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và bàn luận Chương 5: Kết luận và kiến nghị 4 CHƯƠNG 2. Tổng quan về hydrogel trong thực phẩm 2. Giới thiệu Hydrogel về cơ bản là các cấu trúc mạng ba chiều được tạo thành từ các polyme tự nhiên hoặc tổng hợp. Chúng có khả năng hấp thụ và vận chuyển đủ lượng nước trong cấu trúc xốp của chúng.
Đầu những năm 1960, nghiên cứu về hydrogel được Wichterle và Lim bắt đầu khi một bài báo mới xuất bản về poly (2-hydroxyethyl methacrylate). Hơn nữa, vào năm 1968, người ta đã đề xuất rằng sự thay đổi về mức độ trương nở và thể tích cũng như quá trình chuyển pha có thể xảy ra do lực đẩy giữa dung môi kém và mạng lưới polyme. Các nhóm nhà khoa học khác cũng đã đề xuất trong các thí nghiệm của họ một sự chuyển pha do những thay đổi môi trường gây ra (Ahsan, Anam và cộng sự, 2020). Khi hydrogel tiếp xúc với dung môi tương thích về mặt nhiệt động (nước hoặc bất kỳ chất lỏng sinh học nào), chúng có thể giữ một phần lớn dung môi trong các lỗ hoặc khoảng kẽ và có thể đạt đến trạng thái trương nở hoàn toàn.
Sự trương nở đi kèm với sự thay đổi kích thước, dẫn đến sự thay đổi mạnh mẽ về đặc tính lưu biến và cuối cùng là chuyển pha (Majee, S. Hydrogel là mạng lưới polyme nhớt đàn hồi 3D có đặc tính vật lý tương tự như mô tự nhiên. Mạng được hình thành bằng cách liên kết ngang các polyme với liên kết cộng hóa trị hoặc tương tác không cộng hóa trị và cấu trúc của chúng sau đó có thể được nghiên cứu để phù hợp với ứng dụng cuối cùng. Khả năng hấp thụ và giữ nước độc đáo của chúng là nhờ tính chất ưa nước, lượng nước chúng hấp thụ phụ thuộc vào các yếu tố như cấu trúc hydrogel, mật độ liên kết ngang, thành phần của dung dịch và kỹ thuật được sử dụng để tổng hợp nó.
Có nhiều loại hydrogel khác nhau, có thể được phân loại theo vật liệu được sử dụng để tổng hợp chúng, tạo ra hydrogel tự nhiên hoặc tổng hợp, hoặc theo phương pháp được sử dụng để tổng hợp chúng, có thể là liên kết ngang vật lý hoặc hóa học. Hydrogel nói chung có nhiều đặc điểm khiến chúng trở thành một vấn đề nghiên cứu thú vị: chúng có tính linh hoạt cao do các tính chất vật lý và hóa học của chúng có thể được điều khiển để thiết kế một loại gel phù hợp nhất cho ứng dụng cần thiết. Khả năng độc đáo của hydrogel là hình thành các mạng 3D trương nở mang lại cho chúng khả năng khuếch tán các phân tử và tế bào, tuy nhiên, sự giống nhau của chúng với mô mềm tự nhiên cũng rất được quan tâm đối với các ứng dụng y sinh (Catoira, Marta Calvo và cộng sự, 2019). Các phân tử có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp sẽ có các đặc tính hóa lý khác nhau như tính ưa nước, khả năng trương nở, sự tạo gel, độ bền cơ học, độ xốp, khả năng tương 5 thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học khiến chúng có khả năng được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau trong lĩnh vực lọc nước, sắc ký trao đổi ion, tăng cường thu hồi dầu, phát triển cảm biến, loại bỏ các chất ô nhiễm thuốc nhuộm azo hoặc vật liệu độc hại, phát triển hệ thống enzyme cố định, nông nghiệp, chế biến thực phẩm, dược phẩm, y tế và y sinh.
Độ cứng và khả năng hấp thụ nước của hydrogel là do sự hiện diện của các phần tử ưa nước gắn vào khung như rượu, acid cacboxylic và amit, trong khi sự hiện diện của các liên kết ngang giúp nó có khả năng chống hòa tan trong môi trường nước. Một số ví dụ phổ biến của hydrogel bao gồm agarose, alginate, chitosan, collagen, fibrin, gelatin, acid hyaluronic, poly(vinyl Alcohol), poly(acrylic acid), poly(acrylamide), poly(propylene fumarate-co-ethylene glycol), poly-2-hydroxyethyl methacrylate (PHEMA), polypeptide, v. Đặc tính Tùy thuộc vào ứng dụng, hydrogel có thể có các đặc trưng khác nhau về độ trương nở, kích thước, tính chất cơ học và tốc độ phân hủy của chúng (Catoira, Marta Calvo và cộng sự, 2019). Ngoài ra hydrogel còn có các đặc tính khác nhau tùy thuộc vào polymer sử dụng trong hydrogel, đặc tính thích nghi sinh học,… Độ trương nở Mức độ trương nở phải được xác định và mô tả; thông số này bị hạn chế bởi lực đàn hồi trong gel, điều này có nghĩa là hydrogel có độ hòa tan vô hạn bị hạn chế bởi lực đàn hồi của mạng.
Mức độ trương nở cân bằng và mô đun đàn hồi của hydrogel phụ thuộc vào mật độ liên kết ngang và điện tích của polyme (Sathaye Sameer và cộng sự, 2015); lượng nước được gel hấp thụ phụ thuộc vào độ xốp của cấu trúc, loại vật liệu được sử dụng và mật độ liên kết ngang. Một thay đổi nhỏ trong điều kiện môi trường có thể gây ra những thay đổi nhanh chóng và có thể đảo ngược trong hydrogel. Sự thay đổi các thông số môi trường như tín hiệu điện, độ pH, nhiệt độ và sự hiện diện của enzyme hoặc các loại ion khác có thể dẫn đến thay đổi kết cấu vật lý của hydrogel (Singh, S. Tính chất cơ học Từ quan điểm về tính chất cơ học của chúng, hydrogel được đặc trưng bởi mô đun đàn hồi thể hiện trạng thái ổn định rõ rệt kéo dài theo thời gian tại ít nhất là cỡ giây và bằng mô đun nhớt nhỏ hơn đáng kể so với mô đun đàn hồi (Gerlach, G.
Vì vậy, hydrogel được coi là vật liệu đàn hồi nhớt vì chúng có cả hai đặc tính trên. Độ bền cơ học của chúng phụ thuộc vào mật độ liên kết ngang, tính chất cơ học mong muốn của 6 hydrogel có thể đạt được bằng cách thay đổi mức độ liên kết ngang và bằng cách tăng mức độ liên kết ngang, tuy nhiên gel càng mạnh thì khả năng hút nước càng ít do mức độ liên kết ngang cao hơn làm giảm phần trăm độ giãn dài của hydrogel tạo ra cấu trúc giòn hơn (Singh, S. Tốc độ phân hủy Động học phân hủy của mỗi gel phải được mô tả và theo dõi rõ ràng, có thể được thực hiện bằng cách dán nhãn hydrogel bằng fluorophores. Như đã đề cập trước đó, thông số này phải được đặc trưng theo ứng dụng của hydrogel (Khetan Sudhir và cộng sự, 2013), riêng đặc tính này cũng có thể thay đổi đáng kể các đặc tính của hydrogel (Hudalla, G.
Polymer được sử dụng trong hydrogel Bảng 2. Polymer tự nhiên và monomer tổng hợp được sử dụng trong việc tạo ra hydrogel (Singh, S., & Juyal, D, 2017) Polymer tự nhiên Monomer/ Polymer tổng hợp Chitosan Hydroxy ethylmethacryate (HEMA) Gelatin Vinyl acetate (VAc) Hyaluronic acid Acryolic acid (AA) Alginate N-(2-Hydroxy propyl) methacrylate (HPMA) Fibrin N-Vinyl-2-pyrrolidone (NVP) Chitosan N-Isopropylacrylamide (NIPAMM) Đặc tính thích nghi sinh học Khả năng tương thích sinh học là khả năng của vật liệu hoạt động với một phản hồi của máy chủ thích hợp trong một ứng dụng cụ thể. Khả năng tương thích sinh học về cơ bản bao gồm hai yếu tố: (a) chức năng sinh học, tức là khả năng của vật liệu thực hiện nhiệm vụ cụ thể mà nó dự kiến. (b) an toàn sinh học tức là phản ứng thích hợp của vật chủ không chỉ mang tính hệ thống mà còn cục bộ (mô xung quanh), không gây đột biến, gây độc tế bào và/hoặc gây ung thư (Shetye Shivani P.
và cộng sự, 2015). Ứng dụng Hydrogel có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Đa phần hydrogel được ứng dụng trong lĩnh vực y học, cụ thể là làm lành vết thương, cung cấp thuốc-dược phẩm, vật liệu nha khoa. Ngoài ra còn được áp dụng trong các kĩ thuật cấy ghép mô hoặc ứng dụng 7 để tạo ra các sản phẩm mỹ phẩm, dược phẩm, … (Singh, S.
Đưa thuốc vào khoang miệng Thuốc được đưa vào hydrogel và đưa vào khoang miệng để điều trị tại chỗ các bệnh về miệng như viêm miệng, bệnh nấm, bệnh nha chu, virus nhiễm trùng và ung thư khoang miệng. Vận chuyển thuốc qua đường tiêu hóa Đường tiêu hóa là con đường vận chuyển thuốc phổ biến nhất vì diện tích bề mặt lớn có thể hấp thụ hoàn toàn. Giống như vận chuyển trong khoang miệng, các ứng dụng dựa trên hydrogel có thể được phân phối thuốc cục bộ đến các vị trí cụ thể trong đường tiêu hóa. Ví dụ, hệ thống phân phối thuốc kháng sinh đặc hiệu cho dạ dày điều trị nhiễm Helicobacter pylori trong bệnh loét dạ dày tá tràng (Kalshetti Prashant P.
và cộng sự, 2012). Làm lành vết thương Hydrogel có khả năng giữ nước và thuốc trong đó do với cấu trúc liên kết chéo của chúng. Do khả năng giữ nước của chúng, chúng có thể giữ lại dịch tiết từ vết thương. Gelatin và hydrogel dựa trên natri alginate khi được áp dụng có khả năng che phủ và bảo vệ vết thương khỏi vi khuẩn sự nhiễm trùng.
Hydrogel cho não Hàng rào máu não cũng là một thách thức cho việc vận chuyển thuốc như rào cản khác trong cơ thể con người, cụ thể 98% thuốc tổng hợp không vượt qua được rào cản này. Vì lý do đó số lượng thuốc có sẵn để vận chuyển thuốc cho hệ thần kinh trung ương là rất thấp. Camptothecin là thuốc giải phóng kéo dài được nạp các vi cầu PLGA được quan sát thấy ở chuột. Những vi cầu này làm tăng thời gian sống sót ở chuột chống lại u thần kinh đệm ác tính (Kamoun, Elbadawy A.
Kenawy, and Xin Chen, 2017). Phân phối thuốc qua trực tràng Người ta biết rõ rằng thuốc được hấp thu từ phần dưới của trực tràng đổ trực tiếp vào hệ tuần hoàn. Như vậy, đường trực tràng rất hữu ích cho việc quản lý thuốc quá trình trao đổi chất đầu tiên. Các ứng dụng chính của nó là dành cho điều trị tại chỗ các bệnh liên quan đến trực tràng, chẳng hạn như bệnh trĩ.
Phân phối thuốc vào mắt Hydrogel được sử dụng rộng rãi nhất trong việc phân phối thuốc vào hệ thống mắt. Hầu hết các loại kính áp tròng cứng và mềm đều được cấu tạo từ polyme ở dạng màng 8 hydrogel. Hydrogel hình thành như một hệ thống phân phối thuốc vào mắt vì cơ sở của chúng trong việc định lượng dưới dạng chất lỏng và khả năng sử dụng lâu dài của chúng và đặc tính lưu giữ ở dạng gel sau khi dùng thuốc (Caló, Enrica, and Vitaliy V. Ứng dụng thuốc bôi ngoài da Hydrogel đã được sử dụng để cung cấp các thành phần hoạt tính như Desonide là một corticosteroid tổng hợp thường được sử dụng làm thuốc một chất chống viêm.