Nghiên cứu tổng hợp Copolyme PNVCL và Metha Acrylate làm Hydrogel nhạy nhiệt

Luận văn nghiên cứu tổng hợp copolyme Poly N-Vinylcaprolactam và metha acrylate, khám phá khả năng ứng dụng làm hydrogel nhạy nhiệt thuận nghịch.

• Tác giả: Hoàng Thị Thùy
• Người hướng dẫn: TS. Phùng Anh Tuân
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật In (KH)
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp copolyme Poly N-Vinylcaprolactam và metha acrylate có khả năng ứng dụng làm hydrogel nhạy nhiệt thuận nghịch
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Copolyme PNVCL và Hydrogel Nhạy Nhiệt

Copolyme PNVCL (Poly N-Vinylcaprolactam) là một vật liệu polymer thông minh có khả năng thay đổi tính chất khi nhiệt độ thay đổi. Hydrogel nhạy nhiệt được tổng hợp từ copolyme này có ứng dụng rộng rãi trong y học, công nghệ sinh học và ngành dược phẩm. Vật liệu này sở hữu tính chất độc đáo: ở nhiệt độ thấp, hydrogel PNVCL hấp thụ nước và giãn nở; ở nhiệt độ cao, nó co lại và giải phóng chất. Đặc tính nhạy nhiệt thuận nghịch này làm cho copolyme PNVCL trở thành một trong những vật liệu tiềm năng nhất cho các ứng dụng y sinh hiện đại.

1.1. Định nghĩa Copolyme PNVCL

Poly N-Vinylcaprolactam là một polyme tổng hợp được tạo thành từ đơn vị monome N-vinyl caprolactam. Copolyme PNVCL được hình thành khi PNVCL kết hợp với các comonome khác như methacrylate. Cấu trúc phân tử này cho phép vật liệu có tính chất nhạy nhiệt vượt trội, với LCST (Lower Critical Solution Temperature) nằm trong khoảng nhiệt độ sinh học.

1.2. Khái niệm Hydrogel Nhạy Nhiệt

Hydrogel là một mạng lưới polymer ba chiều có khả năng hấp thụ lượng nước lớn. Hydrogel nhạy nhiệt có thể thay đổi thể tích, độ đặc và khả năng hấp thụ nước dựa trên sự biến đổi nhiệt độ. Đặc tính này được gọi là tính thuận nghịch, cho phép hydrogel thực hiện các chức năng xác định khi có sự thay đổi nhiệt độ môi trường.

II. Phương Pháp Tổng Hợp Copolyme PNVCL

Việc tổng hợp copolyme PNVCL sử dụng hai phương pháp chính: trùng hợp dung dịch và quang trùng hợp. Phương pháp trùng hợp dung dịch thực hiện trong dung môi DMSO ở nhiệt độ kiểm soát với chất khơi mào. Phương pháp quang trùng hợp sử dụng ánh sáng UV để khơi động phản ứng tổng hợp, có ưu điểm là có thể kiểm soát chính xác quá trình hình thành hydrogel. Cả hai phương pháp đều cho phép điều chỉnh các yếu tố như nồng độ monome, nồng độ chất khơi mào và thời gian để đạt được hiệu suất tối ưu cho copolyme PNVCL có tính chất mong muốn.

2.1. Phương Pháp Trùng Hợp Dung Dịch

Trùng hợp dung dịch PNVCL được thực hiện trong dung môi DMSO với sự kiểm soát nhiệt độ. Các yếu tố ảnh hưởng chính bao gồm: nồng độ monome, nồng độ chất khơi mào và nhiệt độ phản ứng. Phương pháp này cho phép tạo ra copolyme với cấu trúc phân tử đồng đều, góp phần tạo hydrogel có tính chất nhạy nhiệt ổn định và dễ kiểm soát.

2.2. Phương Pháp Quang Trùng Hợp

Quang trùng hợp sử dụng tia UV để khơi động phản ứng tổng hợp copolyme PNVCL. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác thời gian chiếu sáng, nồng độ chất tạo lưới và nồng độ monome. Ưu điểm của quang trùng hợp là tạo ra hydrogel với độ chuyển hóa cao và cấu trúc ba chiều đều đặn, phù hợp cho các ứng dụng sinh học.

III. Tính Chất và Đặc Tính Của Hydrogel PNVCL

Hydrogel PNVCL sở hữu những đặc tính độc đáo làm nên giá trị của nó. LCST (Lower Critical Solution Temperature) của hydrogel này thường dao động trong vùng nhiệt độ sinh học (32-34°C), cho phép nó phản ứng nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ cơ thể. Tính trương nở của hydrogel PNVCL ở nhiệt độ thấp cho phép nó hấp thụ và giữ nước, trong khi ở nhiệt độ cao, nó co lại và giải phóng các chất được tải. Cấu trúc phân tử được xác định thông qua phổ FT-IR, cho thấy các liên kết hóa học đặc trưng của copolyme.

3.1. Nhiệt Độ Tan Tới Hạn Dưới LCST

LCST là nhiệt độ mà tại đó hydrogel PNVCL thay đổi từ trạng thái tan sang không tan. Giá trị LCST của copolyme có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cấu thành của monome và cấu trúc mạng lưới. Đặc tính này rất quan trọng để ứng dụng trong hydrogel nhạy nhiệt vì nó quyết định phạm vi nhiệt độ mà vật liệu thay đổi tính chất.

3.2. Khả Năng Trương Nở và Nhả Trương

Khả năng trương nở của hydrogel PNVCL được đo bằng độ tăng khối lượng khi hấp thụ nước ở nhiệt độ thấp. Nhả trương xảy ra khi nhiệt độ tăng, làm hydrogel co lại và giải phóng nước cũng như các chất hòa tan. Chu kỳ trương nở-nhả trương có thể lặp lại nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất, chứng minh tính thuận nghịch của hydrogel này.

IV. Ứng Dụng Của Copolyme PNVCL Làm Hydrogel Nhạy Nhiệt

Copolyme PNVCL có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong y học, hydrogel nhạy nhiệt có thể được sử dụng làm vật liệu truyền tải thuốc thông minh, giải phóng thuốc chủ động ở vùng bệnh lý. Trong công nghệ sinh học, nó được dùng để nuôi cấy tế bào và mô sinh học. Ứng dụng hydrogel PNVCL cũng mở rộng sang lĩnh vực cảm biến sinh học, nơi nó có thể phát hiện những thay đổi nhiệt độ vi mô. Tính chất nhạy nhiệt thuận nghịch của copolyme làm cho nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các thiết bị y tế thế hệ mới đòi hỏi sự phản ứng thông minh với môi trường.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Học và Truyền Tải Thuốc

Hydrogel PNVCL có thể được sử dụng làm hệ thống truyền tải thuốc nhạy nhiệt. Thuốc được tải vào hydrogel, và sự giải phóng được kiểm soát bởi nhiệt độ. Ở nhiệt độ thường xuyên, hydrogel giữ thuốc; ở nhiệt độ cơ thể tăng lên, nó giải phóng thuốc một cách có kiểm soát. Ứng dụng này đặc biệt hữu ích cho điều trị ung thư, nơi cần tập trung thuốc ở khối u có nhiệt độ cao hơn.

4.2. Ứng Dụng Trong Nuôi Cấy Tế Bào và Mô Sinh Học

Copolyme PNVCL được sử dụng làm giá thể tế bào trong nuôi cấy in vitro. Hydrogel nhạy nhiệt cho phép tế bào bám dính ở nhiệt độ thấp và tách rời ở nhiệt độ cao mà không cần dùng enzyme. Tính chất thuận nghịch của hydrogel PNVCL làm cho quá trình nuôi cấy và thu hoạch tế bào trở nên an toàn và hiệu quả hơn, quan trọng cho ứng dụng kỹ thuật mô sinh học hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về hydrogel Giới thiệu về hydrogel Trong nhiều năm gần đây, các nhà khoa học đã định nghĩa hydrogel theo nhiều cách khác nhau. Hydrogel là một mạng lưới các polyme tạo thành cấu trúc không gian ba chiều bởi phản ứng đơn giản của một hoặc nhiều monome. Hay hydrogel là một vật liệu cao phân tử có khả năng trương nở và giữ lại một phần đáng kể nước trong cấu trúc của nó nhưng không bị hoà tan trong nước. Khả năng hấp thụ nước của hydrogel là do các nhóm chức gắn liền với mạch polyme (backbone), trong khi khả năng chống lại sự hoà tan của chúng là do các liên kết ngang giữa các chuỗi polyme (network chain).

Hydrogel có thể hấp thụ một lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng. Tính chất hấp thụ nước của hydrogel khiến chúng trở nên có ích trong nhiều ứng dụng thực tế. Nhiều vật liệu dạng gel mới đã được phát triển và thử nghiệm với rất nhiều mục tiêu trong các lĩnh vực khác nhau (môi trường, điện tử, y sinh, sinh học…). Phân loại hydrogel Các hydrogel có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau.

Phân loại Hydrogel Cấu trúc Khả năng Quá trình Điện tích phản ứng kích Bản chất Nguồn gốc vật lý của Kích thước các liên kế tổng hợp mạng thích mạng - Anion - Không đáp - Đồng nhất - Vô định ứng kích - Khâu hình - Cation - Macroge thích mạch vật lý - Tự nhiên - Đồng trùng hợp - Bán tinh - Lưỡng - Microgel - Đáp ứng - Khâu - Nhân tạo thể tính kích thích mạch hóa - Đa trùng - Nanogel hợp - Không (nhạy nhiệt, học - Kết tinh chứa ion pH. Phân loại hydrogel dựa trên các cơ sở khác nhau [1,2] Phân loại theo nguồn gốc Dựa theo nguồn gốc, hydrogel được chia làm hai loại:  Hydrogel có nguồn gốc tự nhiên: bao gồm các protein như collagen, gelatin và polysaccarite như tinh bột, alginate và agar. 1  Hydrogel có nguồn gốc nhân tạo (hydrogel tổng hợp): được tổng hợp bằng các phản ứng trùng hợp hoá học. Phân loại theo quá trình tổng hợp - Hydrogel đồng nhất (Homopolymeic hydrogel): hydrogel chỉ được tổng hợp từ một loại monome ưa nước - Hydrogel đồng trùng hợp (Copolymeic hydrogels): hydrogel được tổng hợp từ hai loại monome khác nhau - Hydrogel đa trùng hợp (Multipolyme Interpenetrating polymeic hydrogel – IPN): hydrogel được tổng hợp từ ba loại monome khác nhau trở lên.

Phân loại theo cấu trúc vật lý của mạng Dựa vào cấu trúc vật lý của mạng, hydrogel có thể được chia thành: - Vô định hình (không kết tinh). - Bán tinh thể: một dạng kết hợp phức tạp của chất vô định hình và các pha kết tinh. Phân loại theo điện tích mạng Hydrogel có thể được phân loại thành bốn nhóm trên cơ sở có hoặc không có điện tích nằm trên liên kết chéo của chuỗi: - Không ion (trung tính). - Ion: bao gồm 2 loại là anion và cation - Chất điện ly lưỡng tính (chất lưỡng tính) chứa cả hai nhóm axit và bazơ.

- Ion lưỡng tính: chứa cả anion và nhóm cation trong mỗi đơn vị lặp lại cấu trúc. Sơ đồ cấu trúc của hydrogel (a) cation và (b) anion [2] 2 Phân loại dựa trên kích thước hydrogel Hydrogel được phân loại dựa trên kích thước của chúng là gel thô (macrogel) và microgel. Macrogel là các gel có kích thước lớn, từ milimet đến lớn hơn. Trong khi các microgel có kích thước nhỏ hơn từ nm đến μm.

Phân loại dựa trên khả năng đáp ứng kích thích Hydrogel được phân loại thành gel đáp ứng hoặc không đáp ứng kích thích. Những hydrogel chỉ trương khi tiếp xúc với môi trường nước được gọi là gel không đáp ứng. Trong khi đó, gel đáp ứng kích thích được coi là các hydrogel “thông minh” vì chúng phản ứng lại những thay đổi đột ngột của môi trường. Các hệ thống hydrogel thông minh với các đáp ứng hoá học và cấu trúc khác nhau thể hiện khả năng đáp ứng với các kích thích bên ngoài bao gồm: nhiệt độ, pH, nồng độ ion, ánh sáng, từ trường, điện trường, các phân tử sinh học… Tính chất “thông minh” của hydrogel được thừa hưởng từ các polyme được sử dụng để cấu thành nên các gel này.

Khả năng trương nở của hydrogel đáp ứng lại thay đổi của môi trường [1] 3 Phân loại dựa trên bản chất của các liên kết Quá trình khâu mạch đặc biệt quan trọng để duy trì cấu trúc mạng lưới của hydrogel, ngăn cản quá trình hoà tan các mạch ưa nước. Dựa trên các kiểu khâu mạch thì có hai loại hydrogel  Hydrogel khâu mạch vật lý: Khâu mạch trong loại hydrogel này là do lực hấp dẫn phi hoá trị giữa các mạch polyme, thường là tương tác của ion hoặc kỵ nước, các liên kết hydro. Alginat là polyme tạo hydrogel khi có mặt ion canxi, là một polysaccarit được cấu tạo bởi axit manuronic và axit gluconic, tạo lưới bằng các ion canxi hoá trị 2. Cấu trúc hydrogel có thể hoà tan nhờ sử dụng tác nhân tạo phức chelat liên kết với các ion.

Bởi vậy, hydrogel alginate được sử dụng để kết nang protein cũng như làm nền tế bào. Poly acrylic axit và poly metacrylic axit tạo liên kết hydro với poly etylene glycol dẫn tới hình thành hydrogel.  Hydrogel khâu mạch hoá học: loại hydrogel này bền hơn so với hydrogel khâu mạch vật lý bởi liên kết ngang được tạo thành là liên kết cộng hoá trị. Hydrogel được tạo thành bởi cách khâu mạch này thường có cấu trúc ổn định trừ khi các yếu tố không bền được đưa vào một cách có chủ ý trong mạng lưới.

Gel khâu mạch hoá học chủ yếu được tạo thành bởi quá trình trùng hợp các monome có mặt tác nhân khâu mạch. Poly 2-hydroxyetyl metacrylat là hydrogel được nghiên cứu rất nhiều. Hydrogel này được tổng hợp bởi quá trình trùng hợp 2-hydroxyetyl metacrylat với etylenglicol dimetacrylat. Các tính chất vật lý khác nhau như khả năng trương của hydrogel được điều chỉnh bởi lượng chất khâu mạch sử dụng.

Tính chất của hydrogel Hydrogel là nền polyme trương nước với xu hướng hấp thụ nước khi đặt trong môi trường nước. Khả năng trương này dưới những điều kiện sinh học khiến hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng sử dụng trong vận chuyển thuốc, cố định protein, peptit cũng như các hợp chất sinh học khác. Do có hàm lượng nước cao nên các gel này giống tế bào sống tự nhiên hơn bất kỳ vật liệu sinh học tổng hợp nào khác. Các mạng lưới này có cấu trúc 3 chiều được khâu mạch vật lý (rối, tinh thể) hoặc hóa học (điểm nút, điểm nối).

Cấu trúc khâu mạch không tan cho 4 phép cố định các tác nhân hoạt động hay các phân tử sinh học một cách hiệu quả và cho phép giải phóng chúng theo một cách riêng. Bởi vậy, khả năng tương hợp sinh học của hydrogel và các cấu trúc khâu mạch dẫn đến nhiều ứng dụng khác nhau.Tính chất cơ lý Đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là chất mang nền hydrogel phải duy trì được tính bền vững cơ học và vật lý nên độ bền cơ học của gel là chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế một hệ điều trị. Ví dụ thuốc và các phân tử sinh học khác phải được bảo vệ khỏi những môi trường có hại trong cơ thể, như môi trường pH quá cao hoặc quá thấp, trước khi nó được giải phóng ở vị trí cần thiết. Để thực hiện điều này, gel mang thuốc phải có khả năng duy trì được độ bền vật lý cũng như độ bền cơ học để chứng tỏ rằng nó là một vật liệu sinh học hiệu quả.

Độ bền của vật liệu có thể tăng cường nhờ bổ sung các tác nhân tạo lưới, comonome cũng như tăng mức độ khâu mạch. Tuy nhiên, cần xác định một mức độ khâu mạch tối ưu, do mức độ khâu mạch quá cao thì sẽ dẫn đến tính giòn hoặc ít đàn hồi. Tính đàn hồi của gel cũng rất quan trọng để tạo ra độ mềm dẻo của các mạch tạo lưới, thuận lợi cho quá trình di chuyển của các tác nhân có hoạt tính sinh học. Bởi vậy, việc cân bằng giữa độ vững chắc hệ gel và độ mềm dẻo là cần thiết để sử dụng các vật liệu này một cách phù hợp.

Tính tương hợp sinh học Một đặc điểm quan trọng của vật liệu tổng hợp như hydrogel là khả năng tạo ra các tương hợp sinh học và không độc để trở thành một polyme y sinh khả dụng. Hầu hết các polyme được sử dụng cho ứng dụng y sinh đều phải trải qua những thử nghiệm về độc tế bào và độc tính in vivo. Hầu hết những vấn đề về độc tính đi kèm với hydrogel là do các monome chưa phản ứng, các oligome và chất khơi mào giải phóng ra trong quá trình ứng dụng. Bởi vậy, việc đánh giá khả năng gây độc của tất cả các loại vật liệu sử dụng để tạo gel là một phần không thể thiếu nhằm xác định tính phù hợp của gel cho những ứng dụng sinh học.

Nhằm làm giảm nguy cơ gây độc thì việc sử dụng các chất khơi mào cũng được loại bỏ nhờ sử dụng bức xạ γ như một kỹ thuật trùng hợp. Ngoài ra động học của quá 5 trình trùng hợp cũng được nghiên cứu để đạt được tốc độ chuyển hóa cao, tránh được monome chưa phản ứng và các sản phẩm phụ. Tính chất trương và nhả trương Khả năng trương của một hydrogel có thể được xác định là khoảng không gian bên trong mạng hydrogel có sẵn để chứa nước. Tuy nhiên, nền tảng cơ bản để xác định hydrogel trương bắt đầu với các lực tương tác polyme-nước.

Về cơ bản, polyme càng có cấu trúc ưa nước, tương tác polyme-nước càng mạnh. Hydrogel với nhiều nhóm chức ưa nước trương lên trong nước như là một kết quả điển hình của lực tương tác polyme-nước. Nếu cấu trúc hydrogel chứa các nhóm ion, sự thẩm thấu hình thành bởi các lực khác ion do sự khác biệt về nồng độ ion trong gel và dung dịch bên ngoài. Sự khác nhau về nồng độ ion càng lớn, áp suất thẩm thấu càng cao.

Nguồn của các ion trong hydrogel là sự ion hóa đồng thời của các nhóm ion gắn trên mạch chính; theo đó, nếu các chuỗi trục polyme chính mang điện tích âm hoặc điện tích dương thì các hydrogel được gọi tương ứng là các hydrogel anion hoặc cation. Các điện tích ion trong trục polyme chính đẩy nhau khi ở trong dung dịch nước sẽ tạo ra không gian đáng kể cho sự hấp thụ nước. Về tổng thể, ba lực: tương tác polyme-nước, tĩnh điện và thẩm thấu có tác động làm mở rộng mạng hydrogel. Hydrogel trương, theo định nghĩa là khả năng hòa tan hạn chế.

Nhìn theo cách khác, độ hòa tan không giới hạn của hydrogel được ngăn ngừa bằng các lực đàn hồi, có nguồn gốc từ các mạng liên chéo.