CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hydrogel 1.1 Giới thiệu hydrogel Hydrogel là một loại vật liệu polymer có cấu trúc mạng ba chiều với khả năng trương nở và giữ một lượng nước lớn trong cấu trúc của nó. Đặc điểm nổi bật của hydrogel là khả năng hấp thụ nước vượt trội và tính tương thích sinh học cao, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng sinh học và môi trường. Khả năng này là do sự hiện diện của nhiều nhóm hydrophilic mạnh như nhóm carboxyl, nhóm sulfonic và nhóm hydroxyl trong cấu trúc của nó.
Hydrogel có thể được tổng hợp từ nhiều loại monomer khác nhau, và sự lựa chọn của monomer sẽ quyết định tính chất vật lý và hóa học của hydrogel [2-4]. Semi-interpenetrating polymer networks (semi-IPNs) là một dạng cấu trúc đặc biệt của hydrogel, trong đó một mạng lưới polymer được hình thành trong sự hiện diện của một hoặc nhiều polymer khác mà không có liên kết hóa học giữa chúng. Điều này tạo ra một hệ thống có tính chất cơ học và hóa học được cải thiện, chẳng hạn như độ bền cơ học cao và khả năng hấp thụ nước tốt hơn [1, 3]. Nghiên cứu về semi-IPN (Semi-Interpenetrating Polymer Network) hydrogel hấp thu ion Cu2+ đã thu hút được sự quan tâm rộng rãi trong cộng đồng khoa học, với mục tiêu chính là phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện với môi trường để loại bỏ các ion kim loại nặng như Cu2+ khỏi nước thải.
Nhìn chung, tình hình nghiên cứu cho thấy semi-IPN hydrogels là một lựa chọn tiềm năng trong việc hấp phụ và loại bỏ Cu2+ từ môi trường nước, với nhiều nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của chúng trong điều kiện phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa cấu trúc và điều kiện vận hành để ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế.2 Tổng hợp hydrogel 1.1 Nguyên liệu Hydrogels được tổng hợp từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau, bao gồm các polyme tự nhiên và tổng hợp, các monomer có khả năng polyme hóa, và kết hợp giữa polyme tự nhiên và tổng hợp. Các polyme tự nhiên như chitosan, gelatin, và alginate thường được sử dụng do tính biocompatibility và biodegradability cao. Trong khi đó, các polyme tổng hợp như polyacrylamide (PAAm), polyethylene glycol (PEG), và polyvinyl alcohol (PVA) thường được sử dụng để cải thiện tính chất cơ học và độ bền của hydrogel [5].
Trong nghiên cứu này, semi - IPN hydrogel được tổng hợp từ N,N’– dimethylacrylamide và maleic acid với MBA là chất nối mạng, hệ xúc tác APS/TEMEDD. Ion đồng Cu2+ được hấp phụ khỏi nước bởi hydrogel.1 N,N’–dimethylacrylamide (DMA) N, N'-Dimethylacrylamide (DMA) là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C5H9NO. Đây là một monomer được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp polymer, đặc biệt là trong sản xuất hydrogels và các ứng dụng y sinh. Công thức cấu tạo Hình 1.
1 Công thức cấu tạo của DMA Danh pháp UIPAC: N, N’-dimethylprop-2-enamide Tên gọi khác: NNDMAA, DMAA, DMA 10 Tính chất vật lý Trạng thái: Chất lỏng không màu. Khối lượng phân tử: 99. Tỷ trọng: Khoảng 0. Điểm chớp cháy: 71.
Tính chất hóa học Độ tan: DMA hòa tan tốt trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ. Độ tan nước ở 25°C là 152 g/L. Tính không ổn định: Ổn định dưới điều kiện bình thường, nhưng có thể polymer hóa khi tiếp xúc với các tác nhân polymer hóa hoặc nhiệt độ cao. Tính tương tác: DMA có thể phản ứng với các chất oxy hóa mạnh và các tác nhân khử.
Nó cũng dễ bị polymer hóa khi có mặt các chất khơi mào polymer hóa như peroxit hoặc azobisisobutyronitrile [6]. Ứng dụng Polymer và Hydrogels: DMA thường được sử dụng để tạo ra các polymer và hydrogels, đặc biệt là trong các ứng dụng y sinh như chất mang thuốc, thiết bị y tế và các vật liệu tương thích sinh học. Hydrogels từ DMA có tính cơ học cao và khả năng nhớ hình dạng tốt. 11 Công nghệ y sinh: Do tính chất biocompatible, các polymer từ DMA được sử dụng trong y học như các vật liệu cấy ghép và các hệ thống phân phối thuốc.
Sơn và chất kết dính: Sử dụng trong sản xuất các chất phủ, sơn và chất kết dính nhờ vào khả năng tạo màng tốt và tính chất cơ học mạnh mẽ [6]. An toàn và độc tính Độc tính: DMA có thể gây kích ứng da, mắt và hệ hô hấp. Tiếp xúc dài hạn có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, vì vậy cần sử dụng các biện pháp bảo hộ khi làm việc với DMA. Hướng dẫn an toàn: Tránh hít phải hơi và tiếp xúc trực tiếp với da và mắt.
Sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân và làm việc trong môi trường thông thoáng [6].2 Poly(N,N’–dimethylacrylamide) Poly(N,N'-Dimethylacrylamide) (PDMA) là một polymer có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, công nghệ môi trường, và vật liệu kỹ thuật nhờ vào các đặc tính vượt trội như khả năng tương thích sinh học và tính chất cơ học tốt. Tính chất vật lý Trạng thái: Chất rắn hoặc hydrogel trong suốt. Khối lượng phân tử: Thay đổi tùy thuộc vào điều kiện polymer hóa. Độ tan: Tan tốt trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực như methanol, ethanol.
Tính chất cơ học: PDMA hydrogels có khả năng co dãn cao, tự phục hồi và nhớ hình dạng tốt, đặc biệt khi kết hợp với các vật liệu gia cường như nano-silica [7]. Tính chất hóa học 12 Tính ổn định: PDMA ổn định trong điều kiện bình thường, nhưng dễ dàng polymer hóa tiếp khi có mặt các chất khơi mào. Độ hút nước: PDMA hydrogels có khả năng hút nước mạnh, giúp chúng phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến hấp thụ và giữ nước. Phản ứng với kim loại: Có khả năng hấp thụ ion kim loại nặng, được sử dụng trong xử lý nước và môi trường [7].
Ứng dụng Y sinh: Sử dụng trong sản xuất các vật liệu cấy ghép, hệ thống phân phối thuốc và thiết bị y tế do tính tương thích sinh học cao. Xử lý nước: PDMA hydrogels được dùng để loại bỏ kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ từ nước. Công nghệ in 3D: PDMA hydrogels có thể sử dụng trong công nghệ in 3D để tạo ra các cấu trúc phức tạp với đặc tính cơ học được cải thiện [7]. An toàn và độc tính Độc tính: PDMA được xem là có độc tính thấp, nhưng cần thận trọng khi sử dụng để tránh tiếp xúc trực tiếp với da và mắt.
Bảo quản: Nên bảo quản ở nơi khô ráo, thoáng mát và tránh ánh nắng trực tiếp để duy trì tính chất của polymer [7].3 Maleic acid (MA) Maleic acid (MA) là một hợp chất hữu cơ có công thức hóa học C₄H₄O₄. Đây là đồng phân cis của axit butenedioic, trong khi đồng phân trans là axit fumaric. Công thức cấu tạo 13 Hình 1. 2 Công thức cấu tạo của MA Danh pháp UIPAC: (Z)-Butenedioic acid Tên gọi khác: cis-butenedioic acid, malenic acid, maleinic acid, toxilic acid Tính chất vật lý Trạng thái: Axit maleic là chất rắn tinh thể màu trắng.
Điểm nóng chảy: 402,9 đến 416,65 K (129,75-143,5°C). Điểm sôi: Điểm sôi khoảng 587,18 K (314,03°C). Tỷ trọng: Tỷ trọng của axit maleic khoảng 1,59 g/cm³ ở nhiệt độ phòng. Độ tan: Axit maleic tan rất tốt trong nước, với log độ tan trong nước (log WS) là 0,45.
Nhiệt nóng chảy: 26,9 kJ/mol. Nhiệt thăng hoa: Enthalpy thăng hoa từ 105,4 đến 110,0 kJ/mol. Nhiệt dung: Nhiệt dung riêng của axit maleic rắn khoảng 135,60 J/mol·K ở 294,4 K [8, 9]. Tính chất hóa học 14 Độ axit: Axit maleic là một axit diacid, có thể cho hai proton (ion H⁺).
Giá trị pKa của nó là 1,9 và 6,07, cho thấy nó khá axit. Tính phản ứng: Axit maleic có thể tham gia vào các phản ứng điển hình của axit carboxylic như tạo thành este, amid và anhydride. Nó cũng tham gia vào phản ứng Diels-Alder do sự có mặt của liên kết đôi liên hợp. Đồng phân hóa: Nó có thể chuyển hóa thành axit fumaric, là đồng phân trans của axit butenedioic.
Sự đồng phân hóa này có thể xảy ra tự nhiên trong một số vi khuẩn và được xúc tác bởi enzyme maleate isomerase. Ứng dụng: Axit maleic được sử dụng trong sản xuất axit fumaric, làm nguyên liệu cho sản xuất các polymer và nhựa khác nhau, trong lớp phủ bề mặt, và như một phụ gia trong chất bôi trơn và hóa chất nông nghiệp. An toàn: Axit maleic có tính ăn mòn và có thể gây bỏng khi tiếp xúc với da hoặc mắt. Nó cũng độc hại khi hít phải hoặc nuốt phải, yêu cầu phải cẩn thận khi xử lý và sử dụng các biện pháp an toàn thích hợp [10] [11].4 N, N’- Methylenebisacrylamide (MBA) Công thức cấu tạo Hình 1.
3 Công thức cấu tạo của MBA Danh pháp IUPAC: N-(prop-2-enoylamino) methylprop-2-enamide Tên gọi khác: Bis[acryloylamino] methane, MBA, MBAA 15 Tính chất vật lí Công thức phân tử: C₇H₁₀N₂O₂ Khối lượng phân tử: 154.17 g/mol Hình dạng: Chất rắn màu trắng Điểm nóng chảy: 181-182°C (358-360 °F) Tính chất hóa học MBA là một hợp chất hữu cơ được sử dụng chủ yếu làm chất liên kết ngang trong polyacrylamide, một loại polymer được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng kỹ thuật và sinh học. MBA có khả năng tạo liên kết ngang giữa các phân tử polymer, làm tăng độ bền và tính ổn định của polymer. Ứng dụng Sản xuất polymer: MBA là chất liên kết ngang chính trong sản xuất polyacrylamide và các polymer khác, đặc biệt là trong các gel sử dụng trong kỹ thuật điện di (SDS- PAGE) và các ứng dụng sinh học khác. Vật liệu siêu hấp thụ: MBA được sử dụng trong các sản phẩm như tã lót và các vật liệu khác yêu cầu khả năng hấp thụ cao.
Sơn và chất kết dính: MBA được sử dụng trong sản xuất các loại sơn và chất kết dính nhờ khả năng tạo liên kết mạnh mẽ và bền vững. An toàn Độc tính: MBA có thể gây kích ứng da và mắt. Việc hít phải hoặc nuốt phải MBA có thể gây hại cho sức khỏe. 16 Xử lý: Khi xử lý MBA, cần mang đồ bảo hộ như găng tay, kính bảo hộ và khẩu trang để tránh tiếp xúc trực tiếp.
Nếu bị dính vào da hoặc mắt, cần rửa ngay lập tức với nhiều nước và tìm kiếm sự chăm sóc y tế. Cháy nổ: MBA không dễ cháy, nhưng trong trường hợp cháy, có thể sử dụng bình chữa cháy hóa chất khô, CO2 hoặc nước phun để dập tắt lửa [12-14].5 Ammonium persulfate (APS) Công thức cấu tạo Hình 1. 4 Công thức cấu tạo của APS Danh pháp IUPAC: Ammonium persulfate Tính chất vật lí Công thức phân tử: (NH₄)₂S₂O₈ Khối lượng mol: 228.18 g/mol Màu sắc: Dạng bột trắng Mật độ: 1.