Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. VẬT LIỆU CHITOSAN, CHITOSAN TAN TRONG NƯỚC 1. Sơ lược về chitosan Chitosan (CTS) là dẫn xuất được điều chế từ chitin, polymer thiên nhiên có trữ lượng lớn thứ hai sau cellulose.
Chitin là thành phần chính cấu tạo nên vỏ của các loài giáp xác như tôm, cua, cũng như có trong mai mực và thành tế bào của một số loài nấm [28]. Trong phân tử CTS, các đơn vị monosaccharide (D-glucosamine) liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4)-glycoside tạo thành mạch phân tử thẳng dài. Trên lý thuyết, cấu trúc của chitin và CTS chỉ khác nhau về sự có mặt của hai nhóm chức -NHCOCH3 và -NH2 ở vị trí C2 trong mạch đại phân tử. Tuy nhiên trong thực tế, hai nhóm chức này luôn có mặt trong cả phân tử chitin và phân tử CTS (Hình 1.
Chính vì vậy để phân loại chitin và CTS, người ta dựa vào khái niệm mức độ deacetyl hóa (DDA). DDA được xác định bằng tỉ lệ số nhóm -NH2 trên tổng số nhóm -NH2 và -NHCOCH3 trong phân tử chitin và CTS. Nếu DDA < 50 % thì phân tử đó là chitin và nếu DDA > 50 % thì phân tử đó là CTS [66]. Cấu trúc của (a) chitin trên lý thuyết (b) CTS trên lý thuyết và (c) CTS trong thực tế với DDA > 50 %.
luan an 5 CTS tan nhiều trong dung dịch của một số axit nhưng ít tan hoặc không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường [28], [66], [111]. Chính điều này đã làm hạn chế khả năng ứng dụng của CTS, đặc biệt là trong lĩnh vực y dược. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để điều chế các dẫn xuất của CTS bằng cách thay đổi cấu trúc hóa học, thực hiện phản ứng ghép và tương tác ion. Tuy nhiên chỉ có một vài nghiên cứu trong số đó tìm thấy được dẫn xuất của CTS có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ thông thường [28].
CTS có khả năng hoạt động hóa học cao hơn so với chitin và cellulose, đặc biệt là khả năng tạo phức, nhờ có sự mặt của nhóm ̶ NH2 trong chuỗi polymer của phân tử. Quá trình tạo phức của CTS đã được nghiên cứu để tổng hợp các loại vật liệu ứng dụng trong xử lý các kim loại nặng cũng như các phẩm màu hữu cơ trong nước thải. Ví dụ, nghiên cứu của Rashid và cộng sự (cs) [109] cho thấy có quá trình tạo phức giữa CTS và Fe3+, CTS và Cu2+ cũng như giữa CTS và cả hai ion kim loại này khi trộn dung dịch CTS với dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3 và CuSO4. Trong phức chất, một ion Fe3+ liên kết với hai nhóm –NH2 của chuỗi polysaccaride và bốn nhóm –OH của chuỗi polysaccaride và nước; một ion Cu2+ liên kết với một nhóm – NH2, hai nhóm –OH của chuỗi polysaccaride và một phân tử nước.
Phức CTS- (Fe3+, Cu2+) có khả năng hấp phụ tốt chất màu C. Khả năng tạo phức của CTS phụ thuộc vào các dạng vật liệu khác nhau của nó như dạng bột, gel, sợi hay màng. Ngoài ra, CTS có DDA càng cao thì quá trình tạo phức diễn ra càng thuận lợi. Điều này cho thấy khả năng tạo phức có liên quan mật thiết đến số lượng cũng như sự phân bố của nhóm –NH2 trong mạch phân tử CTS.
Bản chất của cation kim loại cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo phức. Khả năng hấp phụ các cation kim loại hóa trị hai và hóa trị ba lên màng CTS đã được Rhazi và cs [110] nghiên cứu. Kết quả ghi nhận sự giảm dần khả năng tạo phức của CTS với các cation kim loại theo thứ tự sau đây: luan an 6 Kim loại hóa trị II : Cu2+ ≥ Hg2+ > Zn2+ > Cd2+ > Ni2+ > Co2+ ≈ Ca2+ Kim loại hóa trị III: Eu3+ ≥ Nd3+ > Cr3+ ≈ Pr3+ Ngoài ra, bản chất của các anion cũng đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến quá trình tạo phức của CTS với cation kim loại. Anion SO42 và Cl được đánh giá là đã làm tăng khả năng tạo phức của ion Cu2+ và Ni2+ với hạt CTS [88].
CTS có thể được chuyển thành nhiều dạng vật liệu khác nhau như gel (hydrogel), màng, sợi nano, hạt (bead), hạt micro/nano (micro/nanoparticle), bọt xốp (scaffold, sponge) tùy thuộc vào phương pháp điều chế. Các dạng vật liệu của CTS được đánh giá là có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y sinh học, xử lý nước thải, nông nghiệp, công nghiệp. nhờ có nhiều ưu điểm như có khả năng phân hủy sinh học, ít độc hại, tương thích sinh học, khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, làm lành vết thương và tăng cường hệ thống miễn dịch của cơ thể [18], [23]. Chitosan tan trong nước 1.
Đặc tính hòa tan của chitosan trong nước CTS khó tan trong các dung dịch có môi trường trung tính hay các dung môi hữu cơ thông thường nhưng lại tan dễ dàng trong các dung dịch có môi trường axit do tạo thành được dạng cation polymer khi proton hóa nhóm NH2 trong chuỗi polymer của CTS [111]. Trên thực tế, độ tan của CTS là một thông số khó kiểm soát. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như DDA, khối lượng phân tử, nồng độ ion trong dung dịch polymer, pH, bản chất của axit tham gia vào quá trình proton hóa, sự phân bố của các nhóm acetyl dọc theo mạch polymer của CTS, các điều kiện tách chiết cũng như quá trình làm khô sản phẩm. Một yếu tố quan trọng khác là liên kết hydro giữa các chuỗi mạch polymer của CTS cũng ảnh hưởng đến khả năng tan trong nước của CTS.
Mạng lưới liên kết hydro này thường làm giảm khả năng phân tán chuỗi polymer vào dung dịch và dẫn đến làm giảm độ tan của CTS trong nước [111]. luan an 7 Độ tan kém trong nước của CTS đã làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong một số lĩnh vực, đặc biệt là trong y học cũng như các lĩnh vực yêu cầu dung dịch có môi trường trung tính. Chính vì vậy, các nghiên cứu đã hướng đến việc làm tăng độ tan của CTS trong nước và điều chế các vật liệu chitosan có thể tan trong nước. Có 2 hướng nghiên cứu lớn đã được sử dụng là (1) cắt ngắn mạch polymer của CTS tạo thành chitosan có mạch ngắn (oligo-chitosan) dễ tan trong nước hơn và (2) tổng hợp một số dẫn xuất có thể tan trong nước như dẫn xuất N,O- carboxymethyl chitosan, dẫn xuất mono- và disaccharide chitosan.
Nhiều nghiên cứu cho thấy chitosan tan trong nước (water - soluble chitosan, WSC) là một dạng vật liệu có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như làm chất ổn định, chất bắt gốc tự do, chế tạo hạt nano kim loại (Au, Ag.) [3], chất kháng bệnh và kích thích tăng trưởng thực vật. Đặc biệt trong lĩnh vực y dược, WSC là vật liệu tiềm năng do có khả năng kích thích liền da nhanh và ít để lại sẹo trong điều trị làm lành vết thương và bỏng [53]. Phương pháp điều chế chitosan tan trong nước Có 2 nhóm phương pháp chính trong điều chế WSC, đó là phương pháp cắt ngắn mạch và phương pháp tạo dẫn xuất. * Phương pháp cắt ngắn mạch Để thu được CTS có mạch phân tử ngắn hơn, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu bao gồm phương pháp vật lý, hóa học và sinh hóa.1 tổng hợp một số phương pháp điều chế oligo-chitosan.
Kết quả các nghiên cứu đều cho thấy oligo-chitosan thu được có khả năng tan trong nước tốt hơn so với CTS ban đầu. luan an 8 Bảng 1. Một số phương pháp cắt mạch tạo oligo-chitosan Phương pháp Cách tiến hành TLTK Thủy phân bởi nhiệt Thủy phân CTS ở nhiệt độ 120-180 °C, [116] (H2O, nhiệt độ) không kèm thêm chất xúc tác. Bức xạ vi sóng Thủy phân dung dịch CTS có mặt hoặc [141] không có mặt một số muối vô cơ như NaCl hoặc KCl trong lò vi sóng.
Phương pháp vật Sóng siêu âm Chiếu sóng siêu âm vào dung dịch [139] lý CTS/CH3COOH 1 % ở các nhiệt độ 30, 50 và 80 °C trong 5-60 phút. Chiếu xạ gamma từ Tiến hành chiếu xạ gamma vào CTS dạng [1], nguồn phóng xạ Co- rắn hoặc dạng dung dịch tan trong axit với [25] 60 sự có mặt hoặc không có mặt của H2O2, K2S2O8. Thủy phân trong Thủy phân trong môi trường axit. Các axit [15], dung dịch axit được lựa chọn có thể là HCl, H2SO4, [147] H3PO4, axit acetic, hỗn hợp một số axit hữu cơ như axit ascorbic, axit hydroxyacetic, axit lactic, axit citric.
Phương Oxy hóa cắt mạch Tiến hành cắt mạch CTS bằng các tác [22], pháp hóa nhân oxy hóa, phổ biến nhất là H2O2, hay [73], học kết hợp H2O2 với dung dịch axit đặc như [126], H2SO4, HCl, muối FeSO4, hoặc H2O2 kèm [127], với vi sóng hoặc chiếu xạ gamma. Một số [147] chất oxy khác cũng đã được nghiên cứu sử dụng như NaClO/H2O2, NaClO2/H2O2/HCl. Các enzyme được sử dụng nhiều nhất và [61], hiệu quả nhất là cellulase, chitinase và [76], Phương Thủy phân có mặt chitosanase. Sử dụng kết hợp hỗn hợp 3 [147] pháp sinh một số enzyme enzyme chitinase, lysozyme và cellulase hóa cũng đã được nghiên cứu và cho thấy có hiệu quả thủy phân tốt.
luan an 9 * Phương pháp tạo dẫn xuất Nhiều dẫn xuất của chitosan có khả năng tan trong nước đã được nghiên cứu điều chế thông qua một số phản ứng như phản ứng tạo các dẫn xuất carboxymethyl của CTS [31], [113], phản ứng Maillard [102], phản ứng Michael [115], phản ứng N-acyl hóa [35], [65], [83]… Mục đích của các phản ứng này là làm tăng số lượng nhóm ưa nước như – COOH, – OH và đồng thời phá vỡ liên kết hydro giữa các nhóm chức trong chuỗi phân tử polymer của CTS. Do đó, độ tan của dẫn xuất lớn hơn đáng kể so với CTS ban đầu [83], [102]. Trong phản ứng N-acyl hóa, các tác nhân đã được nghiên cứu sử dụng là các dẫn xuất của axit carboxylic như clorua axit, anhidrit axit. Hirano và cs [46] đã xử lý CTS với anhidrit của các axit béo mạch thẳng ngắn như anhidrit acetic, propionic, butyric, pentanoic và hexanoic trong dung dịch đồng nhất axit acetic 2 % và methanol thu được sản phẩm là các dẫn xuất CTS có khả năng tan trong nước.
Dẫn xuất clorua axit béo có độ dài mạch khác nhau như palmitoyl clorua, caproyl clorua, octanoyl clorua và myristoyl clorua cũng đã được Le và cs [131] nghiên cứu làm tác nhân N-acyl hóa chitosan. Dẫn xuất N-palmitoyl chitosan được đánh giá là vật liệu tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực giải phóng thuốc. Anhidrit acetic là tác nhân acyl hóa được nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng để điều chế WSC. Lu và cs [83] đã tiến hành điều chế WSC bằng cách tiến hành phản ứng N-acetyl hóa CTS với anhidrit acetic trong hỗn hợp dung môi gồm dung dịch axit acetic 2,8% và ethanol (tỉ lệ 50:50, v/v) có thêm một ít pyridine.