MỞ ĐẦU Polyme chức năng hay polyme "thông minh" là một hướng quan trọng trong ngành vật liệu cao phân tử thời gian gần đây. Các loại vật liệu polyme đặc biệt này thu hút được mối quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học bởi chúng có khả năng ứng đáp với các kích thích bên ngoài như pH, nhiệt độ, lực ion, điện và từ trường, các kích thích hoá học và sinh học … Các vật liệu polyme nhóm này còn thể hiện khả năng ứng đáp đồng thời với nhiều kích thích từ môi trường ngoài. Ngày càng có nhiều ứng dụng của vật liệu polyme thông minh trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học, vận chuyển thuốc, chuyển gen và công nghệ tế bào. Cơ chế của polyme thông minh được giải thích một cách đơn giản là sự thay đổi cấu dạng của các mạch trong polyme theo những thay đổi của môi trường ngoài gây ra những tính chất thú vị có giá trị ứng dụng trong thực tế.
Một trong những ứng dụng có giá trị nhất của các polyme thông minh hiện nay là sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm như một tác nhân duy trì hoạt tính đối với các loại thuốc điều trị là những phân tử sinh học như polypeptit, protein hay enzim. Các polypeptit, protein hay enzim chỉ có thể được cơ thể tiếp nhận theo những cách hạn chế bởi chúng có thể bị phân huỷ hay mất tác dụng khi đi qua những môi trường bất lợi trong cơ thể dẫn đến giảm hiệu quả chữa bệnh. Việc phát triển các chất mang thuốc có khả năng kết nang, cố định thuốc, giải phóng thuốc theo ứng đáp môi trường … cho phép thuốc được vận chuyển đến đúng vị trí trong cơ thể một cách an toàn, đúng thời điểm cần thiết và đúng liều quy định mà trước đây chưa thể thực hiện được [1,2]. Một nhóm sản phẩm điển hình của các polyme thông minh đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ thời gian gần đây là các hydrogel.
Hydrogel là polyme với cấu trúc mạng lưới 3 chiều có khả năng hấp thu một lượng nước cũng như chất lỏng sinh học lớn gấp nhiều lần khối lượng của chính nó và trương trong các môi trường này mà vẫn duy trì được cấu trúc ban đầu. Hydrogel cũng có khả năng ứng đáp với nhiều kích thích vật lý, hoá học khác nhau, đặc biệt là khả năng ứng đáp theo nhiệt độ môi trường, nên nó trở thành vật liệu tiềm năng để phát triển các chất mang trong công nghệ tế bào, các hệ 1 vận chuyển thuốc tự điều chỉnh, các thiết bị cấy ghép trong đó đứng ở vị trí hàng đầu trong nghiên cứu là các hệ vận chuyển thuốc trên cơ sở hydrogel. Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chúng tôi lựa chọn đề tài luận án "Tổng hợp vật liệu polyme dạng hydrogel nhạy nhiệt" với mục tiêu nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình tổng hợp một số hydrogel nhạy nhiệt (biến đổi nhiệt) có khả năng tương hợp sinh học, mang và nhả thuốc để sử dụng trong y học. Những nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận án bao gồm: -Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM + Nghiên cứu quá trình trùng hợp NIPAM + Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel NIPAM - Tổng hợp một số hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM + Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM) + Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-HEMA) + Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-MA) + Tổng hợp và nghiên cứu tính chất và khả năng nhả thuốc của hydrogel (NIPAM-co-HEMA-co-AM) 2 I.
Giới thiệu về hydrogel 1. Định nghĩa hydrogel Hydrogel được định nghĩa là các polyme ưa nước có cấu trúc không gian ba chiều, có khả năng trương trong nước mà không tan. Trên quan điểm về tính chất lưu biến, hydrogel được định nghĩa là polyme khâu mạch có tính chất nhớt đàn hồi hoặc đàn hồi thuần túy. Khả năng trương của hydrogel rất lớn, chúng có thể hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng [3,4].
Tính chất hấp thụ nước của hydrogel khiến chúng trở nên có ích trong những ứng dụng như làm kính áp tròng [5], vận chuyển thuốc [4], tách protein [6], công nghệ tế bào [7-19] và xúc tác [10,11]. Phân loại hydrogel Quá trình khâu mạch đặc biệt quan trọng để duy trì cấu trúc mạng lưới của hydrogel, ngăn cản quá trình hòa tan các mạch ưa nước. Dựa trên các kiểu khâu mạch thì có 2 cách phân loại hydrogel [12]. * Hydrogel khâu mạch vật lý: Quá trình khâu mạch trong loại hydrogel này là do lực hấp dẫn phi hóa trị giữa các mạch polyme.
Những lực này thường là tương tác ion hoặc kỵ nước. Alginat là polyme tạo hydrogel khi có mặt ion canxi, là 1 polysaccarit được cấu tạo bởi axit mannuronic và axit gluconic có thể tạo lưới bằng các ion canxi hóa trị 2. Cấu trúc hydrogel có thể hòa tan nhờ sử dụng tác nhân tạo phức chelat liên kết với các ion. Bởi vậy hydrogel alginat được sử dụng để kết nang protein cũng như làm nền tế bào.
Một ví dụ khác của quá trình khâu mạch bởi ion là dextran, không có vùng tích điện nhưng nó lại tạo ra hydrogel khi có mặt ion kali. Nguyên nhân của quá trình khâu mạch là ở chỗ bán kính ion của ion kali phù hợp một cách hoàn chỉnh với khung nguyên tử tạo ra bởi 6 nguyên tử oxi trong tiểu phân glucoza của 3 mạch polyme [12]. 3 Poly(acrylic axit) và poly(metacrylic axit) tạo liên kết hydro với poly(etylenglicol) dẫn tới hình thành hydrogel. Liên kết hydro được tạo thành giữa nguyên tử O của poly(etylenglicol) và nhóm cacboxylic của polyaxit.
Liên kết hydro chỉ được tạo thành khi nhóm axit được proton hóa, bởi vậy sự hình thành hydrogel phụ thuộc pH [13]. Các oligonucleotit cũng được sử dụng để tạo hydrogel. Nagahara và cộng sự đã ghép poly(N,N‟-dimetylacrylamit-co-N- acryloylsuccinimit) với 1 sợi DNA đơn [14]. Khi có mặt DNA ghép đôi này hydrogel được tạo thành.
Gel được tạo thành ở nhiệt độ phòng và có thể hòa tan ở nhiệt độ cao khi DNA bị khử lai tạo. * Hydrogel khâu mạch hóa học: hydrogel loại này bền hơn so với hydrogel khâu mạch vật lí bởi liên kết ngang được tạo thành là liên kết cộng hóa trị [10]. 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 hóa 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. Nó được tổng hợp bởi quá trình trùng hợp 2- hydroxyetyl metacrylat với etylenglicol dimetacrylat. Các tính chất vật lí khác nhau như khả năng trương của hydrogel được điều chỉnh bởi lượng chất khâu mạch sử dụng [12]. Hydrogel cũng có thể được tạo thành bởi quá trình khâu mạch bằng các nhóm chức khác nhau trên mạch chính polyme.
Các polyme chứa nhóm hydroxyl, amin hay hydrazit đều có thể được khâu mạch khi sử dụng glutarandehit để tạo thành liên kết cộng hóa trị với mỗi nhóm chức đã nêu ở trên [12,15]. Enzim cũng có thể được sử dụng để tạo hydrogel khâu mạch. Sperinde và cộng sự đã sử dụng tetrahydroxy poly(etylenglicol) (PEG) được chức hóa với nhóm glutaminyl. Polyme này tạo hydrogel khi có mặt enzim transglutaminaza và poly(lysin-co-phenylalanin).
Enzim xúc tác cho phản ứng giữa nhóm - 4 cacboxyamit của polyme PEG- glutaminyl và nhóm ε- amin của lysin để tạo thành liên kết amit [16]. * Các cách phân loại khác: Hydrogel cũng có thể được phân loại dựa trên kích thước của chúng là gel thô (macrogel) và microgel. Macrogel là gel lớn trong đó kích thước có thể từ mm đến lớn hơn. Trong khi microgel là hydrogel ổn định dạng keo và kích thước của chúng có thể thay đổi từ nm đến m [17- 25].
Hydrogel cũng có thể được phân loại là gel ứng đáp kích thích hoặc gel không ứng đáp. Gel không ứng đáp cũng như tên gọi của chúng là những vật liệu trương khi hấp thụ nước. Mặt khác gel ứng đáp kích thích được coi là các vật liệu “thông minh” bởi chúng ứng đáp lại những thay đổi đột ngột trong môi trường. Các hydrogel này có thể ứng đáp với nhiệt độ, pH [26], lực ion [27,28], ánh sáng [29-31], điện trường và các phân tử sinh học [32-35].
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 ứng đáp lại thay đổi của môi trường 5 Theo thành phần monome trong phương pháp điều chế, hydrogel có thể dược phân loại thành: hydrogel trùng hợp từ duy nhất một loại monome, hydrogel đồng trùng hợp được tổng hợp từ hai loại monome trở lên [26,31]. Theo cấu trúc người ta phân loại thành: Hydrogel vô định hình là hydrogel có mạch được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Hydrogel nửa kết tinh là hydrogel có những vùng tập trung các phân tử lớn có cấu trúc.
Hydrogel có các liên kết hydro [4]. 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 lí 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 kì vật liệu sinh học tổng hợp nào khác [36].
Các mạng lưới này có cấu trúc 3 chiều được khâu mạch vật lí (rối, tinh thể) hoặc hóa học (điểm nút, mối nối). Cấu trúc khâu mạch không tan cho 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 lí Đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là chất mang nền gel phải duy trì được tính bền vững cơ học và vật lí, bởi vậy độ bền cơ học của gel là chỉ tiêu quan trong 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 được điều này, gel mang thuốc phải có khả năng duy trì được độ bền vật lí cũng như độ bền cơ học để chứng tỏ rằng nó là một vật liệu sinh học hiệu quả.