(Đồ án hcmute) nghiên cứu tổng hợp semi ipn hydrogel thông minh trên cơ sở n,n diethylacrylamide

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SEMI-IPN HYDROGEL THÔNG MINH TRÊN CƠ SỞ N,N'-DIETHYLACRYLAMIDE GVHD: HUỲNH NGUYỄN ANH TUẤN SVTH: VÕ MINH QUÂN MSSV:15128053 SKL 0 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2019 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH - - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP SEMI-IPN HYDROGEL THÔNG MINH TRÊN CƠ SỞ N,N'-DIETHYLACRYLAMIDE SVTH : VÕ MINH QUÂN MSSV : 15128053 GVHD : TS HUỲNH NGUYỄN ANH TUẤN MÃ SỐ KHÓA LUẬN: PO.19.13 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 an an an an an an an LỜI CÁM ƠN Với tất kính trọng lịng biết ơn, tơi đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn nhiệt tình hƣớng dẫn, giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện đồ án Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm mơn Cơng nghệ Hóa học tạo điều kiện sở vật chất để tơi hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tình cảm q giá, động viên khích lệ ngƣời thân bạn bè phịng thí nghiệm polymer chia sẻ khó khăn tơi Tất điều động lực to lớn để hồn thành đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên điều kiện lực, kiến thức chun mơn cịn hạn chế thân thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung báo cáo không tránh khỏi thiếu xót Kính mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn bè để nghiên cứu tơi đƣợc hồn thiện Một lần xin chân thành cám ơn! an LỜI CAM ĐOAN Đồ án tốt nghiệp thành từ nghiên cứu hoàn toàn thực tế sở số liệu thực nghiệm đƣợc thực theo hƣớng dẫn giáo viên hƣớng dẫn Mọi tham khảo sử dụng đồ án đƣợc trích dẫn từ nguồn tài liệu công bố ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2019 an (b) S1 PDEA S1-P1 S1-P2 S1-P3 S1-P4 Water retention, % 100 80 S2 PDEA S2-P1 S2-P2 S2-P3 S2-P4 100 Water retention, % (a) 60 40 20 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 20 40 80 100 Time, Time, (c) PDEA S2-P2 S1-P2 S2-P4 S1-P4 100 Water retention, % 60 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 Time, Hình 3.11 Động học nhả trƣơng dswelling hydrogel nƣớc thay đổi nhiệt độ từ 25 oC đến 45 oC (a) semi-IPN hydrogel S1; (b) semi-IPN hydrogel S2 (c) pDEA, S1-P2, S1-P4, S2-P2 S2-P4 Trong thực nghiệm này, nƣớc nhiều hydrogel khoảng 40 phút đầu, sau ngâm nƣớc 100 phút tốc độ nhả nƣớc chậm, q trình để hydrogel nhả trƣơng gần nhƣ hồn tồn phải ngày Nhìn chung, mạng hydrogel nhạy nhiệt co rút lại giải phóng nƣớc hấp thụ LCST Khi hydrogel thông thƣờng pDEA đƣợc ngâm vào nƣớc 45 oC, co rút cấu trúc mạng diễn hình thành lớp màng dày đặc phủ bề mặt vật liệu Lớp màng dày đặc che phủ hết bề mặt hydrogel làm cho nƣớc đƣợc giải phóng 51 an mạng hydrogel khơng thể di chuyển dẫn đến lƣợng nƣớc đƣợc giải phóng chậm Đối với semi-IPN hydrogel, linear polymer copolymer ƣa nƣớc cung cấp nhiều kênh dẫn giúp giải phóng nƣớc dễ dàng với tốc độ nhanh [50], ngăn chặn phá vỡ hình thành lớp màng dày đặc phủ bề mặt vật liệu, phân tử nƣớc di chuyển dễ dàng cấu trúc chúng bị co rút 45 oC Các kênh dẫn nƣớc nhiều đƣợc hình thành nhiều hàm lƣợng linear polymer copolymer đƣợc đƣa vào hydrogel cao, làm cho nƣớc di chuyển khỏi mạng hydrgel dễ dàng dẫn đến tăng tốc độ nhả trƣơng Kết cung cấp khả giải phóng chất lỏng ngồi mơi trƣờng cấu trúc semi-IPN hydrogel so với hydrogel thơng thƣờng đƣợc sử dụng để thiết kế vật liệu hydrogel nhạy nhiệt với đặc tính mong muốn để áp dụng vào ứng dụng cụ thể 52 an KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Trong đồ án này, semi-IPN hydrogel p(DEA-co-HEMA)/pDEA (S1) đƣợc tổng hợp thành công phản ứng trùng hợp DEA có mặt linear copolymer p(DEA-co-HEMA) semi-IPN hydrogel pDEA/p(DEA-co-HEMA) (S2) đƣợc tổng hợp thành công phản ứng đồng trùng hợp DEA HEMA có mặt linear pDEA Cả hai trình tổng hợp theo chế gốc tự với APS, TEMED MBA đƣợc sử dụng lần lƣợt chất khơi mào, xúc tiến tác nhân nối mạng Ngồi hydrogel thơng thƣờng pDEA đƣợc tổng hợp thành công để làm mẫu so sánh Các đặc tính hydrogel đƣợc nghiên cứu phƣơng pháp FTIR, DSC, SEM, đo tính loạt phƣơng pháp đánh giá dựa trƣơng nhả trƣơng Cấu trúc hóa học đƣợc xác nhận phổ FTIR cho thấy chuỗi linear polymer copolymer đƣợc vƣớng vào mạng ba chiều Các thử nghiệm học cho thấy tính chất học semi-IPN hydrogel đƣợc cải thiện so với hydrogel thông thƣờng Các kết SEM chứng minh hydrogel có cấu trúc lỗ xốp, kích thƣớc lỗ xốp tăng tăng dần hàm lƣợng linear polymer/copolymer; semi-IPN hydrogel cấu trúc S1 S2 có kích thƣớc lỗ xốp nhỏ lớn tƣơng ứng 178,3 ± 56,6 339,5 ± 65,1μm; 162,8 ± 45,3 316,1 ± 61,2 μm LCST semi-IPN hydrogel cấu trúc S1 S2 nƣớc lần lƣợt giảm từ 33,8 xuống 33,4 °C; 33,9 xuống 33,0 oC tăng hàm lƣợng linear polymer/copolymer Tăng hàm lƣợng linear polymer/copolymer làm tăng tỷ lệ trƣơng, tốc độ trƣơng nhả trƣơng semi-IPN hydrogel Do đó, đặc tính semi-IPN hydrogel hồn tồn đƣợc kiểm soát cách thay đổi hàm lƣợng linear polymer/copolymer mạng không gian ba chiều KIẾN NGHỊ Trong phạm vi đồ án này, cấu trúc semi-IPN hydrogel cần đƣợc phân tích đánh giá thêm phƣơng pháp nhƣ DLS, GPC, TGA… Xác định đƣợc module nén, biến dạng vỡ… hydrogel nhƣ LCST linear polymer pDEA copolymer p(DEA-co-HEMA) Các thực nghiệm ứng dụng vật liệu hydrogel nhƣ hấp thụ, mang thuốc hy vọng đƣợc tiến hành tƣơng lai 53 an DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M R R Aguilar, J.S, "Smart Polymers and Their Applications; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands," 2014 [2] Z Zhao, Z Li, Q Xia, E Bajalis, H Xi, and Y Lin, "Swelling/deswelling kinetics of PNIPAAm hydrogels synthesized by microwave irradiation," Chemical Engineering Journal, vol 142 263-270, 2008 [3] T Wang, H Zhu, and H Xue, "Reversible pH stimulus-response material based on amphiphilic block polymer self-assembly and its electrochemical application," Materials, vol 478, 2016 [4] J E Elliott, M Macdonald, J Nie, and C N Bowman, "Structure and swelling of poly (acrylic acid) hydrogels: effect of pH, ionic strength, and dilution on the crosslinked polymer structure," Polymer, vol 45 1503-1510, 2004 [5] Y Zhang, S Furyk, D E Bergbreiter, and P S Cremer, "Specific ion effects on the water solubility of macromolecules: PNIPAM and the Hofmeister series," Journal of the American Chemical Society, vol 127 14505-14510, 2005 [6] S R Sershen, G A Mensing, M Ng, N J Halas, D J Beebe, and J L West, "Independent optical control of microfluidic valves formed from optomechanically responsive nanocomposite hydrogels," Advanced Materials, vol 17 1366-1368, 2005 [7] N Baït, B Grassl, C Derail, and A Benaboura, "Hydrogel nanocomposites as pressure-sensitive adhesives for skin-contact applications," Soft Matter, vol 2025-2032, 2011 [8] X Feng, K Zhang, P Chen, X Sui, M A Hempenius, B Liedberg, et al., "Highly Swellable, Dual‐Responsive Hydrogels Based on PNIPAM and Redox Active Poly (ferrocenylsilane) Poly (ionic liquid) s: Synthesis, Structure, and Properties," Macromolecular rapid communications, vol 37 1939-1944, 2016 [9] H Li, J Chen, and K Lam, "A transient simulation to predict the kinetic behavior of hydrogels responsive to electric stimulus," Biomacromolecules, vol 1951-1959, 2006 54 an [10] X Wang, X Qiu, and C Wu, "Comparison of the coil-to-globule and the globule-to-coil transitions of a single poly (N-isopropylacrylamide) homopolymer chain in water," Macromolecules, vol 31 2972-2976, 1998 [11] Y Pei, J Chen, L Yang, L Shi, Q Tao, B Hui, et al., "The effect of pH on the LCST of poly (N-isopropylacrylamide) and poly (N-isopropylacrylamide-coacrylic acid)," Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, vol 15 585594, 2004 [12] H Liu, M Liu, S Jin, and S Chen, "Synthesis and characterization of fast responsive thermo‐and pH‐sensitive poly [(N, N‐diethylacrylamide)‐co‐(acrylic acid)] hydrogels," Polymer International, vol 57 1165-1173, 2008 [13] J A Alfurhood, H Sun, P R Bachler, and B S Sumerlin, "Hyperbranched poly (N-(2-hydroxypropyl) methacrylamide) via RAFT self-condensing vinyl polymerization," Polymer Chemistry, vol 2099-2104, 2016 [14] J.-F Lutz, Ö Akdemir, and A Hoth, "Point by point comparison of two thermosensitive polymers exhibiting a similar LCST: is the age of poly (NIPAM) over?," Journal of the American Chemical Society, vol 128 1304613047, 2006 [15] S Dai, P Ravi, and K C Tam, "pH-Responsive polymers: synthesis, properties and applications," Soft Matter, vol 435-449, 2008 [16] J Hu, G Zhang, Z Ge, and S Liu, "Stimuli-responsive tertiary amine methacrylate-based block copolymers: Synthesis, supramolecular self-assembly and functional applications," Progress in Polymer Science, vol 39 1096-1143, 2014 [17] A S Hoffman, "Hydrogels for biomedical applications," Advanced drug delivery reviews, vol 64 18-23, 2012 [18] H Inomata, S Goto, and S Saito, "Phase transition of N-substituted acrylamide gels," Macromolecules, vol 23 4887-4888, 1990 [19] W Cai and R B Gupta, "Poly (N-ethylacrylamide) hydrogels for lignin separation," Industrial & engineering chemistry research, vol 40 3406-3412, 2001 55 an [20] Y Ling and M Lu, "Thermo and pH dual responsive Poly(Nisopropylacrylamide-co-itaconic acid) hydrogels prepared in aqueous NaCl solutions and their characterization," Journal of Polymer Research, vol 16 2937, 2009 [21] W Wei, X Qi, Y Liu, J Li, X Hu, G Zuo, et al., "Synthesis and characterization of a novel pH-thermo dual responsive hydrogel based on salecan and poly (N, N-diethylacrylamide-co-methacrylic acid)," Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, vol 136 1182-1192, 2015 [22] Y Li, H Guo, J Gan, J Zheng, Y Zhang, K Wu, et al., "Novel fast thermalresponsive poly (N-isopropylacrylamide) hydrogels with functional cyclodextrin interpenetrating polymer networks for controlled drug release," Journal of Polymer Research, vol 22 91, 2015 [23] S B Teli, G S Gokavi, and T M Aminabhavi, "Novel sodium alginate-poly (N-isopropylacrylamide) semi-interpenetrating polymer network membranes for pervaporation separation of water + ethanol mixtures," Separation and purification technology, vol 56 150-157, 2007 [24] Y Qiu and K Park, "Environment-sensitive hydrogels for drug delivery," Advanced drug delivery reviews, vol 53 321-339, 2001 [25] P Lavalle, J C Voegel, D Vautier, B Senger, P Schaaf, and V Ball, "Dynamic aspects of films prepared by a sequential deposition of species: perspectives for smart and responsive materials," Advanced Materials, vol 23 1191-1221, 2011 [26] S Murdan, "Electro-responsive drug delivery from hydrogels," Journal of controlled release, vol 92 1-17, 2003 [27] T Miyata, T Uragami, and K Nakamae, "Biomolecule-sensitive hydrogels," Advanced drug delivery reviews, vol 54 79-98, 2002 [28] S Petrusic, P Jovancic, M Lewandowski, S Giraud, B Bugarski, J Djonlagic, et al., "Synthesis, characterization and drug release properties of thermosensitive poly (N-isopropylacrylamide) microgels," Journal of Polymer Research, vol 19 9979, 2012 56 an [29] W Wei, X Hu, X Qi, H Yu, Y Liu, J Li, et al., "A novel thermo-responsive hydrogel based on salecan and poly (N-isopropylacrylamide): synthesis and characterization," Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, vol 125 1-11, 2015 [30] J Chen, M Liu, and S Chen, "Synthesis and characterization of thermo-and pH-sensitive kappa-carrageenan-g-poly (methacrylic acid)/poly (N, N- diethylacrylamide) semi-IPN hydrogel," Materials Chemistry and Physics, vol 115 339-346, 2009 [31] Y Liu, K Zhang, J Ma, and G J Vancso, "Thermoresponsive semi-IPN hydrogel microfibers from continuous fluidic processing with high elasticity and fast actuation," ACS applied materials & interfaces, vol 901-908, 2016 [32] N Zhang, M Liu, Y Shen, J Chen, L Dai, and C Gao, "Preparation, properties, and drug release of thermo-and pH-sensitive poly ((2- dimethylamino) ethyl methacrylate)/poly (N, N-diethylacrylamide) semi-IPN hydrogels," Journal of materials science, vol 46 1523-1534, 2011 [33] J Chen, M Liu, H Liu, L Ma, C Gao, S Zhu, et al., "Synthesis and properties of thermo-and pH-sensitive poly (diallyldimethylammonium chloride)/poly (N, N-diethylacrylamide) semi-IPN hydrogel," Chemical Engineering Journal, vol 159 247-256, 2010 [34] H G Schild, "Poly (N-isopropylacrylamide): experiment, theory and application," Progress in polymer science, vol 17 163-249, 1992 [35] O Guillame‐Gentil, O Semenov, A S Roca, T Groth, R Zahn, J Vörös, et al., "Engineering the extracellular environment: strategies for building 2D and 3D cellular structures," Advanced materials, vol 22 5443-5462, 2010 [36] I A Idziak, D.; Lessard, D.; Gravel, D and Zhu, X X, "Thermosensitivity of Aqueous Solutions of Poly(N,N’-diethylacrylamide) " Macromolecules, vol 32 1260-1263, 1999 [37] L Hanyková, J Spěváček, M Radecki, A Zhigunov, H Kouřilová, and Z Sedláková, "Phase transition in hydrogels of thermoresponsive semiinterpenetrating and interpenetrating networks of poly (N, N-diethylacrylamide) and polyacrylamide," European Polymer Journal, vol 85 1-13, 2016 57 an [38] C M Jun, L.; Naiyan, Z.; Peipei, D.; Chunmei, C.; Liwei, M and Hongliang, L, "Influence of the grafted chain length on responsive behaviors of the grafted poly(DEA-co-DMAEMA) hydrogel Sensor and Acuators B," polymer, vol 149 34-43, 2010 [39] J Chen, M Liu, H Liu, and L Ma, "Synthesis, swelling and drug release behavior of poly (N, N-diethylacrylamide-co-N-hydroxymethyl acrylamide) hydrogel," Materials Science and Engineering: C, vol 29 2116-2123, 2009 [40] J.-P Montheard, M Chatzopoulos, and D Chappard, "2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA): chemical properties and applications in biomedical fields," Journal of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews, vol 32 1-34, 1992 [41] X Hu, L Feng, W Wei, A Xie, S Wang, J Zhang, et al., "Synthesis and characterization of a novel semi-IPN hydrogel based on Salecan and poly (N, N-dimethylacrylamide-co-2-hydroxyethyl methacrylate)," Carbohydrate polymers, vol 105 135-144, 2014 [42] M Panayiotou and R Freitag, "Synthesis and characterisation of stimuliresponsive poly (N, N′-diethylacrylamide) hydrogels," Polymer, vol 46 615621, 2005 [43] B Liu, J Wang, G Ru, C Liu, and J Feng, "Phase transition and preferential alcohol adsorption of poly (N, N-diethylacrylamide) gel in water/alcohol mixtures," Macromolecules, vol 48 1126-1133, 2015 [44] H N A Tuan, "Luận văn tiến sỹ: Synthesis and characterization of pH-thermo dual responsive semi-IPN hydrogel based on N,N’-diethylacrylamide and itaconamic acid," 2018 [45] H Liu, M Liu, L Ma, and J Chen, "Thermo-and pH-sensitive comb-type grafted poly (N, N-diethylacrylamide-co-acrylic acid) hydrogels with rapid response behaviors," European Polymer Journal, vol 45 2060-2067, 2009 [46] L K Kostanski, R Huang, R Ghosh, and C D Filipe, "Biocompatible poly (N-vinyllactam)-based materials with environmentally-responsive permeability," Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, vol 19 275290, 2008 58 an [47] X G De Feng, X.Q.; Qiu, K.Y, "Study of the initiation mechanism of the vinyl polymerization with the system persulfate/N,N,N0,N0- tetramethylethylenediamine Makromol Chem," vol 189 77-83, 1988 [48] J X Sun, C.; Tan, H.; Hu, X, "Covalently crosslinked hyaluronic acid-chitosan hydrogel containing dexamethasone as an injectable scaffold for soft tissue engineering," J Appl Polym Sci, vol 129 682-688, 2012 [49] B X Wang, X D.; Wang, Z C.; Cheng, S X.; Zhang, X Z.; Zhuo, R X, "Synthesis and properties of pH and temperature sensitive P(NIPAAm-coDMAEMA) hydrogels Colloids and Surfaces B: Biointerfaces," vol 64 34-41, 2008 [50] J T B Zhang, R.; Jandt, K D, "Temperature-sensitive PVA/PNIPAAm semiIPN hydrogels with enhanced responsive properties Acta Biomater," vol 488-497, 2009 59 an PHỤ LỤC  Semi-IPN hydrogel S1  Semi-IPN hydrogel S2 60 an PHỤ LỤC Mẫu Trƣớc nén Sau nén PDEA S1-P1 S1-P2 S1-P3 S1-P4 S2-P1 61 an S2-P2 S2-P3 S2-P4 62 an PHỤ LỤC Mẫu Tại 25 oC Tại 45 oC PDEA S1-P1 S1-P1 S1-P2 S1-P2 S1-P3 S1-P3 S1-P4 S1-P4 63 an S2-P1 S2-P1 S2-P2 S2-P2 S2-P3 S2-P3 S2-P4 64 an S an K L 0 ... thực đƣợc Đề tài đồ án ? ?Nghiên cứu tổng hợp semi- IPN hydrogel thông minh sở N,N'' -diethylacrylamide? ?? đƣợc thực với mục tiêu tổng hợp vật liệu hydrogel nhạy nhiệt có cấu trúc semi- IPN để khảo sát đặc... 1.2 Semi- IPN hydrogel thông minh 1.2.1 Hydrogel thông minh 1.2.2 Các hydrogel thông minh khác 1.2.3 Semi- IPN hydrogel 1.2.4 Các tính chất bật semi- IPN hydrogel. .. với vật liệu sở pNIPAM 1.7.2 Tổng hợp hydrogel thông minh sở pDEA Thời gian gần có nhiều nghiên cứu tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt sở pDEA, nghiên cứu tập trung chất lƣợng phản ứng tổng hợp khảo sát