(Luận văn) tổng hợp vật liệu polyme dạng hydrogel nhạy nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HỐ HỌC ` HOÀNG DƢƠNG THANH TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME DẠNG HYDROGEL NHẠY NHIỆT lu an n va p ie gh tn to d oa nl w LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỐ HỌC Chun ngành: Hóa Hữu ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va HÀ NỘI - 2014 ac th si BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HỐ HỌC HỒNG DƢƠNG THANH TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME DẠNG HYDROGEL NHẠY NHIỆT lu an va n Chuyên ngành: Hoá hữu Mã số: 62.44.01.14 p ie gh tn to oa nl w d LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC lu ll u nf va an Chuyên ngành: Hóa Hữu oi m z at nh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Nguyễn Văn Khôi z PGS.TS Trần Thị Như Mai m co l gm @ an Lu n va HÀ NỘI - 2014 ac th si LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết thực nghiệm trình bày luận án trung thực, cộng thực Các kết nêu luận án nhóm nghiên cứu thực chưa cơng bố cơng trình nhóm nghiên cứu khác lu TÁC GIẢ an n va gh tn to p ie Hoàng Dương Thanh d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Văn Khôi PGS.TS Trần Thị Như Mai hướng dẫn, giúp đỡ tận tình bảo, động viên tơi thực thành công luận án tiến sỹ Xin cảm ơn chân thành Lãnh đạo Viện Hoá học, Viện KH&CN Việt Nam Phòng Quản lý tổng hợp hết lịng ủng hộ, giúp đỡ tơi suốt thời gian lu thực luận án an n va Xin cảm ơn bạn đồng nghiệp Phòng Vật liệu Polyme - Viện Hoá học, tn to Khoa Hoá học - Đại học KHTN động viên, chia sẻ khó khăn tơi p ie gh hồn thành phần việc cơng trình khoa học Cuối cùng, gửi lời cảm ơn chân thành tình cảm quý giá, động viên d luận án oa nl w khích lệ người thân bạn bè ln mong muốn tơi hồn thành sớm ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN iii DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN v MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hydrogel 1.1.1 Định nghĩa hydrogel lu 1.1.2 Phân loại hydrogel an n va 1.1.3 Tính chất hydrogel tn to 1.1.4 Cấu trúc mạng lưới gh 1.2 Giới thiệu polyme nhạy nhiệt 12 p ie 1.2.1 Nhiệt độ dung dịch tới hạn (CST) điểm chuyển đổi thể tích pha 12 w 1.2.2 Nhiệt động học dung dịch polyme 18 oa nl 2.3 Hydrogel nhạy nhiệt nhạy pH 21 d 1.2.3.1 Phân loại hydrogel nhạy nhiệt 21 lu va an 1.2.3.2 Biến đổi thể tích hydrogel nhạy nhiệt 23 u nf 1.2.3.3 Ứng dụng hydrogel nhạy nhiệt 26 ll 1.3 Ứng dụng hydrogel số hydrogel ứng đáp môi trường khác 28 m oi 1.3.1 Trong nông nghiệp 28 z at nh 1.3.2 Trong y tế 29 1.3.3 Các hydrogel ứng đáp môi trường khác 30 z gm @ 1.3.3.1 Các hydrogel nhạy pH 30 l 1.3.3.2 Hệ nhạy nhiệt-pH 32 m co 1.3.3.3 Hydrogel nhạy cảm điện 33 an Lu 1.3.3.4 Hydrogel nhạy cảm ánh sáng 34 1.3.3.5 Hydrogel nhạy cảm enzym 34 n va ac th si 1.3.3.6 Hydrogel nhạy cảm đường 35 1.3.3.7 Hydrogel nhạy cảm áp suất 36 1.3.3.8 Hydrogel nhạy nhiệt kép 37 1.4 Tổng hợp hydrogel 38 1.4.1 Nguyên tắc chung 38 1.4.2 Tổng hợp PolyNIPAM biến tính hydrogel PNIPAM nhạy cảm môi trường 42 1.4.2.1 Các phương pháp trùng hợp 42 1.4.2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu lên trình trùng hợp gốc 43 lu an 1.4.2.3 Tổng hợp biến tính hydrogel sở PNIPAM 44 n va II THỰC NGHIỆM 46 2.1.1 Nguyên liệu, hoá chất 46 gh tn to 2.1 Nguyên liệu, hoá chất, dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 46 p ie 2.1.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 47 w 2.2 Phương pháp thực nghiệm nội dung nghiên cứu 48 oa nl 2.2.1 Phương pháp thực nghiệm 48 d 2.2.1.1 Tổng hợp polyme, copolyme hydrogel 48 lu va an 2.2.1.2 Xác định thành phần copolyme 49 u nf 2.2.1.3 Phương pháp xác định số đồng trùng hợp 50 ll 2.2.1.4 Quá trình trương hydrogel 52 m oi 2.2.1.5 Quá trình nhả trương hydrogel 52 z at nh 2.2.1.6 Quá trình thuận nghịch nhiệt 52 z 2.2.1.7 Quá trình nhạy pH 53 gm @ 2.2.1.8 Quá trình thuận nghịch pH 53 l 2.2.1.9 Ảnh hưởng nồng độ chất điện li đến mức độ trương sản m co phẩm 53 an Lu 2.2.1.10 Xác định khả kích ứng da hydrogel 53 2.2.1.11 Xác định giá trị LCST 53 n va ac th si 2.2.1.12 Chuẩn bị mẫu hydrogel mang thuốc paracetamol 54 2.2.1.13 Xác định hàm lượng paracetamol 54 2.2.1.14 Xác định khối lượng phân tử trung bình độ đa phân tán polyme 54 2.2.1.15 Xác định độ bền học hydrogel 54 2.2.1.16 Xác định độ chuyển hóa 55 2.2.1.17 Xác định phần gel sản phẩm 57 2.2.2 Nội dung nghiên cứu 57 2.2.2.1 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel nhạy nhiệt lu an PNIPAM 57 n va 2.2.2.2 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel (NIPAM-co2.2.2.3 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel (NIPAM-coHEMA) 59 p ie gh tn to AM) 59 w 2.2.2.4 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel (NIPAM-co- oa nl MA) 60 d 2.2.2.5 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel terpolyme lu va an (NIPAM-HEMA-AM) 61 u nf 2.2.2.6 Nghiên cứu trình mang nhả thuốc hydrogel 62 ll III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 63 m oi 3.1 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM 63 z at nh 3.1.1 Nghiên cứu trình trùng hợp NIPAM 63 z 3.1.1.1 Ảnh hưởng hệ khơi mào tới trình trùng hợp NIPAM 63 gm @ 3.1.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình trùng hợp NIPAM 64 l 3.1.1.3 Ảnh hưởng nồng độ monome đến trình trùng hợp m co NIPAM 65 an Lu 3.1.1.4 Ảnh hưởng khối lượng phân tử PNIPAM đến nhiệt độ LCST 66 n va ac th si 3.1.1.5 Ảnh hưởng nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST 67 3.1.1.6 Phổ hồng ngoại PNIPAM 68 3.1.2 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel NIPAM 69 3.1.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất hydrogel NIPAM 69 3.1.2.2 Ảnh hưởng nồng độ chất điện ly đến khả trương hydrogel NIPAM 72 3.1.2.3 Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt hydrogel NIPAM 73 3.1.2.4 Hình thái học bề mặt 74 lu an 3.2 Tổng hợp số hydrogel nhạy nhiệt sở biến tính NIPAM 77 n va 3.2.1 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel (NIPAM-co-AM) 77 3.2.1.2 Phổ hồng ngoại DSC 78 3.2.1.3 Ảnh hưởng hàm lượng AM nhiệt độ LCST copolyme p ie gh tn to 3.2.1.1 Quá trình đồng trùng hợp NIPAM AM 77 (NIPAM-AM) 80 w oa nl 3.2.1.4 Ảnh hưởng hàm lượng AM đến tính chất trương d copolyme (NIPAM-AM) 81 lu va an 3.2.1.5 Ảnh hưởng hàm lượng AM tới trình trương nhả u nf trương hydrogel (NIPAM-co-AM) 81 ll 3.2.1.6 Ảnh hưởng hàm lượng AM tới mức độ trương m oi hydrogel (NIPAM-co-AM) pH khác 83 z at nh 3.2.1.7 Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt 84 z 3.2.1.8 Hình thái học bề mặt độ bền học hydrogel (NIPAM- @ co-AM) 85 gm l 3.2.2 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel (NIPAM-co- m co HEMA) 87 an Lu 3.2.2.1 Động học trình đồng trùng hợp NIPAM HEMA 87 n va ac th si 3.2.2.2 Phổ hồng ngoại giản đồ DSC chứng minh tồn sản phẩm 89 3.2.2.3 Ảnh hưởng hàm lượng HEMA đến nhiệt độ LCST copolyme (NIPAM-HEMA) 90 3.2.2.4 Quá trình trương/nhả trương copolyme (NIPAM-HEMA) 91 3.2.2.5 Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt ảnh SEM copolyme (NIPAM-HEMA) 92 3.2.2.6 Tính chất lý mẫu hydrogel 93 3.2.3 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel (NIPAM-co-MA) 95 lu an 3.2.3.1 Động học trình đồng trùng hợp NIPAM MA 95 n va 3.2.3.2 Phổ hồng ngoại 96 copolyme (NIPAM-MA) 97 3.2.3.4 Quá trình trương/nhả trương hydrogel (NIPAM-co-MA) 98 p ie gh tn to 3.2.3.3 Ảnh hưởng hàm lượng MA đến nhiệt độ LCST w 3.2.3.5 Ảnh hưởng hàm lượng MA đến mức độ trương oa nl hydrogel (NIPAM-co-MA) pH khác 100 d 3.2.3.6 Tính thuận nghịch nhiệt hydrogel (NIPAM-co-MA) 101 lu va an 3.2.3.7 Hình thái học bề mặt độ bền học hydrogel 101 u nf 3.2.4 Tổng hợp nghiên cứu tính chất hydrogel terpolyme ll (NIPAM-HEMA-MA) 104 m oi 3.2.4.1 Tổng hợp nghiên cứu tính chất terpolyme (NIPAM- z at nh HEMA-MA) 104 z 3.2.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng MA đến tính chất nhạy gm @ nhiệt terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) 105 l 3.2.4.3 Nghiên cứu trình trương nhả trương hydrogel m co (NIPAM-co-HEMA-co-MA) 106 an Lu 3.2.4.4 Ảnh hưởng điều kiện môi trường đến độ trương cân hydrogel (NIPAM-co-HEMA-co-MA) 107 n va ac th si 3.2.4.5 Đặc tính thuận nghịch nhiệt pH terpolyme (NIPAMHEMA-MA) 108 3.2.4.6 Tính chất học ảnh SEM terpolyme (NIPAM-HEMAMA) 109 3.3 Nghiên cứu q trình nhả paracetamol đánh giá khả kích ứng da terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) 112 3.3.1 Quá trình nhả thuốc 37oC 40oC môi trường nước cất 113 3.3.2 Q trình nhả thuốc 37oC 40oC mơi trường khác 114 3.3.3 Đánh giá khả kích ứng da 116 lu an KẾT LUẬN CHUNG 118 n va TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 p ie gh tn to PHỤ LỤC 134 d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m o l.c gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si Acquisition Parameter Instrument : 6490(LA) Acc Voltage : 20.0 kV Probe Current: 1.00000 nA PHA mode : T4 Real Time : 63.06 sec Live Time : 50.00 sec Dead Time : 20 % Counting Rate: 2366 cps Energy Range : - 20 keV 8000 Title NIPAM/AM : 70/30 Instrument : 6490(LA) Volt : 20.00 kV Mag : x 150 Date : 2013/05/14 Pixel : 512 x 384 001 lu CKa an 7200 n va 6400 4800 OKa 4000 p ie Counts gh tn to 5600 1600 d oa NKa nl 2400 w 3200 lu 0.00 1.00 2.00 nf va an 800 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 oi lm ul keV z at nh z ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.7899 Element (keV) Mass% Error% Atom% Compound C K 0.277 65.36 0.28 N K 0.392 16.16 0.87 O K 0.525 18.47 0.21 Mass% Cation 100.00 m co l Total gm @ K 25.3966 38.9035 35.0021 an Lu n AnalysisStation va JED-2300 ac th si Acquisition Parameter Instrument : 6490(LA) Acc Voltage : 20.0 kV Probe Current: 1.00000 nA PHA mode : T4 Real Time : 62.38 sec Live Time : 50.00 sec Dead Time : 20 % Counting Rate: 2354 cps Energy Range : - 20 keV Title NIPAM/HEMA: 40/60 Instrument : 6490(LA) Volt : 20.00 kV Mag : x 150 Date : 2010/05/16 Pixel : 512 x 384 003 8000 7200 lu an va CKa 6400 n 5600 4000 ie OKa gh Counts tn to 4800 p 3200 1600 d oa nl NKa w 2400 an lu 800 va 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 oi lm ul nf keV z at nh Mass% Cation K 26.2022 40.2703 32.7477 z ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.8068 Element (keV) Mass% Error% Atom% Compound C K 0.277 63.50 0.28 N K 0.392 4.53 3.00 O K 0.525 31.97 2.15 m co l gm 100.00 @ Total an Lu ac th AnalysisStation n va JED-2300 si Acquisition Parameter Instrument : 6490(LA) Acc Voltage : 20.0 kV Probe Current: 1.00000 nA PHA mode : T4 Real Time : 62.93 sec Live Time : 50.00 sec Dead Time : 20 % Counting Rate: 2310 cps Energy Range : - 20 keV Title NIPAM/MA:62/38 Instrument : 6490(LA) Volt : 20.00 kV Mag : x 150 Date : 2010/05/11 Pixel : 512 x 384 002 8000 an CKa lu 7200 6400 va 4000 ie gh Counts tn to 4800 OKa n 5600 p 3200 nl w NKa 2400 oa 1600 d 800 0.00 1.00 2.00 va an lu 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 nf oi lm ul keV z at nh Mass% Cation z ZAF Method Standardless Quantitative Analysis Fitting Coefficient : 0.8060 Element (keV) Mass% Error% Atom% Compound C K 0.277 59.51 0.27 N K 0.392 8.24 0.78 O K 0.525 32.25 0.37 100.00 m co l gm @ Total K 24.5934 44.8364 29.9362 an Lu n AnalysisStation va JED-2300 ac th si