Đồ án: Nghiên cứu tổng hợp semi-IPN hydrogel thông minh trên cơ sở N-isopropylacrylamide

Đồ án nghiên cứu tổng hợp semi-IPN hydrogel thông minh trên cơ sở N-isopropylacrylamide. Phân tích cấu trúc, tính chất và ứng xử của vật liệu.

• 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 Hóa Học Và Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Semi-IPN Hydrogel Thông Minh Từ N-Isopropylacrylamide
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về Semi IPN Hydrogel thông minh từ NIPAM

Semi-IPN hydrogel là một loại vật liệu polymer thông minh được tổng hợp từ N-isopropylacrylamide (NIPAM) và các monomer khác. Vật liệu này có khả năng thay đổi tính chất vật lý và hóa học theo điều kiện môi trường, đặc biệt là nhiệt độ. Polymer thông minh NIPAM sở hữu điểm chuyển pha dưới tới LCST (Lower Critical Solution Temperature), cho phép nó hấp thu và giải phóng chất chứa một cách có kiểm soát. Semi-IPN hydrogel kết hợp cấu trúc mạng liên kết với polymer tuyến tính, tạo nên những đặc tính ưu việt trong các ứng dụng y học và công nghệ sinh học. Cấu trúc đặc biệt này cho phép vật liệu có độ đàn hồi cao, khả năng giữ nước tốt và tính chất kích ứng-phản ứng vượt trội so với hydrogel thông thường.

1.1. Đặc điểm của Polymer thông minh NIPAM

NIPAM là một đơn vị đơn polymer có độ nhạy cảm cao với nhiệt độ. Khi nhiệt độ vượt quá điểm LCST (khoảng 32°C), polymer NIPAM thay đổi từ trạng thái k疏水 sang thân hydrophobic, dẫn đến co lại và giải phóng nước. Tính chất này làm cho NIPAM trở thành lựa chọn lý tưởng cho hydrogel thông minh trong các ứng dụng dược phẩm, sinh học y tế và hệ thống giải phóng thuốc được kiểm soát.

1.2. Cấu trúc Semi IPN và ưu điểm

Cấu trúc Semi-IPN bao gồm một mạng lưới liên kết (cross-linked network) kết hợp với polymer tuyến tính. Điều này cải thiện khả năng trương nước (swelling ratio), độ bền cơ học và tính ổn định của vật liệu. So với IPN hoàn chỉnh, semi-IPN dễ tổng hợp hơn và có chi phí thấp hơn, nhưng vẫn duy trì được các tính chất ưu việt trong giải phóng thuốc có kiểm soát và ứng dụng y tế.

II. Quy trình tổng hợp Semi IPN Hydrogel từ NIPAM

Tổng hợp semi-IPN hydrogel dựa trên NIPAM thường gồm hai giai đoạn chính: tổng hợp polymer tuyến tính và tạo mạng lưới liên kết. Đầu tiên, linear pNIPAM được tổng hợp thông qua trùng hợp gốc tự do (free radical polymerization) sử dụng initiator APS và catalyst TEMED. Tiếp theo, copolymer p(NIPAM-co-HEMA) được tạo bằng cách thêm HEMA (Hydroxyethyl methacrylate) để cải thiện tính chất hydrogel. Cuối cùng, mạng lưới liên kết (cross-linked network) được hình thành bằng cách sử dụng MBA (N,N'-methylenebisacrylamide) làm tác nhân liên kết. Điều kiện tổng hợp như nhiệt độ, thời gian và nồng độ reactant ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của sản phẩm cuối cùng.

2.1. Giai đoạn tổng hợp polymer tuyến tính

Trùng hợp gốc tự do là phương pháp phổ biến để tổng hợp pNIPAM tuyến tính. Phản ứng diễn ra trong điều kiện khí trơ (nitrogen), với APS làm khởi động tử và TEMED làm xúc tiến. Cơ chế bao gồm ba bước: khởi tạo (initiation), lan truyền (propagation) và kết thúc (termination). Sản phẩm linear pNIPAM có khối lượng phân tử cao, tính chất tan tốt trong nước lạnh và hiển thị hành vi thông minh đặc trưng với điểm chuyển pha LCST rõ ràng.

2.2. Hình thành mạng lưới liên kết trong Semi IPN

Tác nhân liên kết MBA tạo ra các liên kết covalent giữa các chuỗi polymer, hình thành mạng lưới ba chiều. Nồng độ MBA quyết định mức độ liên kết và ảnh hưởng đến độ co giãn (swelling behavior) của hydrogel. Semi-IPN hydrogel được tạo bằng cách nhúng polymer tuyến tính vào mạng lưới liên kết, tạo nên cấu trúc hybrid với tính chất cơ học và độ nhạy cảm từ cả hai thành phần. Quá trình này cho phép kiểm soát chính xác các tính chất của sản phẩm cuối cùng.

III. Tính chất và phân tích Semi IPN Hydrogel thông minh

Semi-IPN hydrogel từ NIPAM thể hiện những tính chất nổi bật có thể được đánh giá thông qua nhiều phương pháp phân tích. Phổ hồng ngoại (FTIR) xác nhận sự tồn tại của các nhóm chức năng đặc trưng, trong khi kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy cấu trúc lỗ xốp đặc trưng. Phân tích nhiệt vi sai (DSC) cung cấp thông tin về điểm chuyển pha LCST và độ ổn định nhiệt. Vật liệu thể hiện hành vi thông minh rõ rệt với khả năng thay đổi swelling ratio tùy theo nhiệt độ. Tốc độ trương (swelling rate) nhanh và đáng kể, cho phép ứng dụng trong các hệ thống giải phóng thuốc có kiểm soát. Khả năng tái sử dụng của vật liệu làm tăng giá trị thực tiễn trong các ứng dụng công nghệ.

3.1. Tính chất cơ học và trương nước

Semi-IPN hydrogel thể hiện độ bền cơ học tốt hơn so với hydrogel thông thường nhờ cấu trúc mạng liên kết. Chỉ số trương (swelling ratio) phụ thuộc vào nồng độ MBA và thành phần copolymer, dao động trong khoảng được xác định bởi thiết kế công thức. Dưới nhiệt độ thấp (dưới LCST), hydrogel hấp thu nước tối đa, trong khi trên LCST, nó co lại và giải phóng nước. Tốc độ trương nhanh cho phép ứng dụng trong các hệ thống phản ứng nhanh, đặc biệt là trong dược phẩm và y sinh.

3.2. Hành vi thông minh và ứng dụng tiềm năng

Hành vi thông minh của semi-IPN hydrogel từ NIPAM được thể hiện rõ qua điểm chuyển pha LCST vào khoảng 32°C. Dưới điểm này, vật liệu giãn nở và hấp thu nước, trên điểm này nó co lại. Đặc tính này mở ra khả năng ứng dụng trong hệ thống giải phóng thuốc có kích ứng, y tế regenerative, cảm biến sinh học và các công nghệ quản lý chất lỏng. Khả năng tái sử dụng vật liệu qua nhiều chu kỳ nhiệt độ cải thiện tính kinh tế và bền vững của công nghệ.

IV. Ứng dụng và triển vọng nghiên cứu Semi IPN Hydrogel NIPAM

Semi-IPN hydrogel dựa trên NIPAM có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y tế và công nghệ sinh học. Trong hệ thống giải phóng thuốc có kiểm soát, vật liệu có thể hấp thu thuốc ở nhiệt độ thấp và giải phóng ở nhiệt độ cao, cho phép điều trị được tùy chỉnh. Các ứng dụng khác bao gồm mô tái tạo, vết mổ thông minh, cảm biến sinh học và quản lý chất lỏng trong công nghệ sinh học. Nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện tính chất cơ học, tăng tốc độ phản ứng, và mở rộng phạm vi nhiệt độ hoạt động. Sự kết hợp với các chất hoạt động khác hoặc công nghệ nano có thể tạo ra các vật liệu hybrid thông minh với tính năng nâng cao hơn.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống giải phóng thuốc

Semi-IPN hydrogel NIPAM là hứa hẹn cho hệ thống giải phóng thuốc thông minh vì khả năng hấp thu và giải phóng chọn lọc dựa trên nhiệt độ. Ở nhiệt độ cơ thể (37°C), vật liệu co lại và giải phóng thuốc đã hấp thu, trong khi ở nhiệt độ phòng nó hấp thu thuốc. Điều này cho phép các liệu pháp được tùy chỉnh chính xác, giảm tác dụng phụ và cải thiện hiệu quả điều trị. Khả năng tái sử dụng và tương thích sinh học làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng dược phẩm.

4.2. Hướng phát triển và thách thức trong tương lai

Để mở rộng ứng dụng, các nhà nghiên cứu cần cải thiện tính chất cơ học của semi-IPN hydrogel NIPAM, đặc biệt là độ bền kéo và độ đàn hồi. Thách thức bao gồm việc kiểm soát tính không đồng nhất trong cấu trúc, tăng tốc độ phản ứng và mở rộng phạm vi nhiệt độ hoạt động để phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau. Kết hợp công nghệ nano, siRNA hoặc các chất hoạt động sinh học có thể tạo ra các vật liệu hybrid thông minh với tính năng vượt trội hơn, mở ra những cơ hội mới trong y tế tiên tiến và công nghệ sinh học.

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 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 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 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 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 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.