Chế tạo vật liệu hydrogel trên ơ sở polyme trộn hợp

Trộn hợp các polyme là một hướng rất có triển vọng để chế tạo các vật liệu polyme mới, kết hợp được nhiều tính chất tốt của các polyme thành phần, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật, rẻ h

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O

L Ạ I THỊ THÚY

NGÀNH HÓA HỌC

NGƯỜ I HƯ Ớ NG D N KHOA H C: Ẫ Ọ

TS TRỊNH XUÂN ANH

Hà Nội, 2011

M C L C Ụ Ụ Trang phụ bìa

Danh m c các ký hi u, các ch vi t t t ụ ệ ữ ế ắ

Danh m c các b ng ụ ả

Danh m c các hình vụ ẽ ồ, đ thị

M ở đầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - 1

1.1 Giới thi u chung v t li u polymeệ ậ ệ - 1

1.1.1 Khái niệm ủc a polyme -1

1.1.2 Trạng thái v t lý và tr ng thái phaậ ạ - 1

1.2 Gi i thiớ ệu ậ ệv t li u polyme tr n h p (polyme blend)ộ ợ -2

1.2.1 Nhiệt động h c quá trình hòa tan các polyme - 3 ọ 1.2.2 Giản đồ pha và chuy n pha c a h n h p các polymeể ủ ỗ ợ - 5

1.2.3 Các phương pháp phân tích sử ụ d ng trong nghiên c u ứ polymer blen - 8

1.2.4 Các bi n ệ pháp tăng cường tương hợp polyme h n h p ỗ ợ (polyme tr n hộ ợp) - 9

1.2.5 Các phương pháp chế ạ t o v t liệu polyme h n h pậ ỗ ợ - 11

1.2.5.1 Chế ạ t o polyme h n h p t dung d ch polyme ỗ ợ ừ ị - 11

1.2.5.2 Ch t o polyme h n h p ng thái nóng ch yế ạ ố ợ ởtrạ ả - 12

1.2.5.3 Phương pháp ạt o các mạng lưới polyme đan xen - 12

CHƯƠNG 2 T NG QUANG V V T LI U HYDROGELS Ổ Ề Ậ Ệ 2.1 V t liậ ệu polyme hydrogel thông minh 14

2.1.1 Gi i thi polyme hydrogelsớ ệu - 14

2.1.2 Tính chất cơ học c a polyme hydrogel ủ - 14

2.2 Polyme hydrogel thông minh -20

2.2.1 Polyme hydrogel thông minh nhay PH - 21

2.2.2 Polyme hydrogel thông minh nh y c m nhiạ ả ệt độ - 24

2.3 Những ng d ng c a polyme hydrogel thông minh ứ ụ ủ - 25

2.3.1 ng d ng làm v t li u chuy n t i phân ph i thuỨ ụ ậ ệ ể ả ố ốc - 25

2.3.2 ng d ng làm BiosenseỨ ụ - 28

CHƯƠNG 3: TH C NGHI M - 29 Ự Ệ 3.1 Nguyên liệu, d ng c , thiêt b nghiên c u ụ ụ ị ứ - 29

3.1.1 Nguyên li uệ - 29

3.1.1.1 PVA (polyvinyl alcohol) - 29

3 1.2 Chitosan 1 - 34

3.1.1.3 CMC (Carboxy methyl cellulose) - 37

3.1.2 D ng c , thi t b nghiên cụ ụ ế ị ứu -39

3.2 Phương pháp thực nghiệm để ổ t ng h p hydrogel PVA CM chitosan ợ – và hydrogel PVA CMC– -40

3.3 Chế ạ t o mẫu PVA CMC– - 40

3.3.1 T ng h p dung dổ ợ ịch h n h p PVA và CMC ỗ ợ -40

3.3.2 Quy trình s n xu t polyme hydrogel PVA CMC ả ấ – - 40

3.4 Chế ạ t o mẫu PVA chitosan - 42 –

3.4.1 T ng h p dung dổ ợ ịch h n h p PVA và CMchitosan ỗ ợ - 42

3.4.2 Quy trình s n xu t polyme hydrogel PVA chitosanả ấ – -43

3.5 Ch t o mế ạ ẫu polyme hydrogel PVA CMC và PVA -chitosan– 44

3.5.1 Ch t o màng polymer hydrogel dùng cho vi c phân tích (IR, SEM): ế ạ ệ - 45

3.5.2 Ch t o polymer hydrogel dùng cho khế ạ ảo sát độ nh y pHạ - 45

3.6 Khảo sát độ trương nở ủ c a hydrogel t ng h p PVA CMC và ổ ợ – PVA chitosan– - 45

3.6.1 Hóa ch t và d ng cấ ụ ụ - 45

3.6.2 Điều ch dung d ch PH h n hế ị ỗ ợp - 45

3.6.3 Cách ti n hành ế đo - 49

3.7 Các phương pháp hóa lý - 49

3.7.1 P hương pháp phổ ồ h ng ngo iạ - 49

3.7.2 Phương pháp hiển vi điện t quét (SEM)ử - 50

CHƯƠNG 4: K T Q A VÀ TH O LU N Ế Ủ Ả Ậ 4.1 Phân tích ph ổIR - 53

4.1.1 Ph h p th IR c a m y PVA/CMCổ ấ ụ ủ ấ - 53

4.2 Phân tích b mề ặt - 55

4.2.1 nh SEM c a m u PVA/CMCẢ ủ ẫ - 55

4.2.2 nh SEM c a m u PVA/chitosanẢ ủ ẫ - 57

4.3 Phân tích kh ả năng trương nở ủ c a polyme tr n h p PVA CMC ộ ợ – và PVA - chitosan - 58

4.3.1 Trương nở ủ c a PVA CMC - 59 –

4.3.2 Độ trương nở ủ c a PVA Chitosan– - 59

4.4 Khảo sát s biến d ng theo th i gian c a hydrogel PVA CMC và ự ạ ờ ủ – hydrogel PVA chitosan – - 60 4.4.1 Khảo sát s bi n d ng theo th i giự ế ạ ờ an 60

K T LU N CHUNGẾ Ậ

KIẾN NGH Ị

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả

BẢNG DANH M C CÁC BỤ ẢNG TRANG 2.1 Những y u tế ố môi trường có thể tác độ ng biến đổi

MỞ ĐẦU Một trong những thành tựu quan trọng của khoa học và công nghệ vật liệu trong vài chục năm trở lại đây là đã nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng có kết quả các vật liệu polyme trộn hợp Vật liệu này đã, đang và sẽ có mặt trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội với các ưu thế nổi trội Trộn hợp các polyme là một hướng rất có triển vọng để chế tạo các vật liệu polyme mới, kết hợp được nhiều tính chất tốt của các polyme thành phần, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật, rẻ hơn và ít tốn thời gian hơn so với trùng hợp hay đồng trùng hợp các monome mới cũng như chế tạo copolyme khối, copolyme ghép và copolyme thống kê từ các monome thông dụng

Có thể điều chỉnh ở một dải khá rộng các tính chất của vật liệu nhờ thay đổi tỷ lệ các polyme thành phần và điều kiện chế tạo để thu được vật liệu polyme có tính chất mong muốn Tuy nhiên, do khác nhau về cấu tạo, cấu trúc, độ phân cực, trọng lượng phân tử, nhiệt độ chảy mềm, chỉ số chảy, độ nhớt chảy tương đối, khả năng hòa tan trong các dung môi, nên khi trộn hợp hầu hết các polyme không có khả năng hòa trộn

và tương hợp với nhau và tạo thành một hệ có cấu trúc nhiều pha Làm thế nào để T đánh giá các polyme có khả năng hòa trộn, tương hợp hoàn toàn, tương hợp một phần hay không tương hợp? Với mong muốn góp phần giải quyết những vấn đề do thực tế đặt ra, đề tài “ Chế tạo vật liệu hydrogel trên cơ sở polyme trộn hợp” nghiên cứu

cơ sở lý thuyết và chế tạo vật liệu polyme hydrogel có khả năng hấp thụ nước, khả năng trương nở cao trong môi trường Axit và Bazo Vật liệu hydrogel này có những tính chất giống như Polyme hydrogel thông minh áp dụng trong y học

Với mục tiêu đó, những nhiệm vụ nghiên cứu mà luận án phải thực hiện là:

- Nghiên cứu quy trình phù hợp tạo ra polyme trộn hợp PVA - CMC và vật liệu hydrogel PVA - chitosan

- Nghiên c u t l phù h p c a v t li u hydrogel PVA - CMC ứ ỷ ệ ợ ủ ậ ệ

và v t li u hydrogel PVA - chitosan ậ ệ

- Khả năng trương nở của PVA - CMC trong môi trường có độ PH khác nhau.

- Khả năng trương nở củ a PVA - chitosan trong môi t rương có độ PH khác nhau

- Khả năng tương hợp của vật liệu hydrogel PVA CMC và vật liệu hydrogel - PVA

- Chitosan qua phân tích IR và phân tích SEM

- Chế tạo vật liệu hydrogel trên cơ sở các polyme thành phần PVA, CMC, chitosan

Với thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn không tránh khỏi sai sót, kính mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô cũng như sự đóng góp của các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1

1.1 Giới thiệu chung vật liệu polyme

1.1.1 Khái niệm về polyme

Polyme là mạch cao phân tử bao gồm các chuỗi giống hệt nhau của các monomer (còn gọi là các mắt xích) và được gắn với nhau nhờ các liên kết cộng hóa trị Các phân tử có cấu trúc tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn được gọi là các oligome Polyme được hình thành trong tự nhiên ngay từ những ngày đầu hình thành trái đất Chẳng hạn như Xenlulozơ thành phần chủ yếu của tế bào thực vật và protit - thành phần chủ yếu của tế bào sống đều là những hợp chất quan trọng trong đời sống hàng ngày

1.1.2 Trạng thái vật lý và ấu trúc phac

a Trạng thái vật lý

Vật chất có thể tồn tại ở 3 trạng thái vật lý: rắn, lỏng và khí Các trạng thái này’ khác nhau về đặc trưng chuyển động và mật độ của các phân tử hoặc nguyên tử

Trạng thái khí: ở trạng thái này, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử lớn hơn nhiều so với năng lượng tác dụng tương hỗ giữa chúng Do đặc trưng của trạng thái này là sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử (bao gồm chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay và chuyển động dao động), mật độ phân tử bé, không có hình dạng riêng và dễ thay đổi thể tích khi nhiệt

độ thay đổi

Trạng thái lỏng: Là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và trạngthái rắn Ở trạng thái này lực hút tương hỗ giữa các phân tử xấp xỉ bằng kích thước phân tử Do vậy chất lỏng có hình dạng riêng (dạng cầu khi không chịu tác dụng lực )nhưng dưới tác dụng của ngoại lực nó dễ dàng thây đổi hình dạng (do các phân tử luôn luôn chuyển động và vị trí cân bằng luôn luôn thay đổi) Thể tích dường như không đổi dưới tác dụng của ngoại lực

Trạng thái rắn: là trạng thái mà mật độ phân tử cao (khoảng cách giữa các phân tử bé) Các phân tử không thay đổi vị trí và chuyển động quay nhưng có sự dao động xung quanh vị trí cân bằng, các phân tử bé nên khó thay đổi hình dạng Sự khác biệt về độ linh động của phân tử dẫn đến sự khác nhau về cơ chế khuếch tán Đối với trạng thái lỏng và trạng thái khí thì sự khuyết tán xảy ra do sự thay đổi vị trí của các phân tử (khi phân tử này đến vị trí mới thì vị trí cũ của nó được thay thế bằng một phân tử khác) Đối với trạng thái rắn sự khuếch tán xảy ra chủ yếu do sự chuyển động (khu ch tán) ếcủa các nguyên tử đến vị trí trống bên cạnh Những vị trí trống này luôn luôn tồn tại trong vật thể do những sai sót trong cấu trúc của mạng lưới tinh thể Chính vì cơ chế khác nhau như vậy nên sự khuếch tán trong chất rắn xảy ra chậm hơn trong chất lỏng và chất khí

b Cấu trúc pha

Có hai quan điểm về pha:

Quan điểm nhiệt động học: pha là một phần thống nhất của hệ thống được tách riêng với các phần khác nhờ bề mặt phân chia giữa chúng và khác nhau về tính chất nhiệt động Một pha phải có thể tích riêng ứng với điều kiện

áp suất, nhiệt độ và các tính chất nhiệt độ động khác

Theo quan điểm cấu tạo các pha khác nhau là do cách sắp sếp của các phân tử Phụ thuộc vào cách sắp xếp này mà có hai trạng thái pha: pha tinh thể và pha vô định hình: Pha tinh thể: được đặc trưng bởi sự sắp xếp theo trật

tự xa ba hướng của các phân tử hoặc nguyên tử Pha vô định hình có tồn tại trật tự gần (trật tự gần là trật tự có khoảng cách xấp xỉ bằng kích thước phân tử) Các phân tử ở gần một phân tử xác định có thể có một trật tự xác định nhưng ở khoảng cách xa hơn thì trật tự này không tồn tại Pha tinh thể phần lớn tồn tại ở trạng thái tập hợp rắn (trừ tinh thể lỏng), còn pha vô định hình có thể ở cả ba trạng thái rắn, lỏng, khí

1.2 Giới thiệu vật liệu polyme trộn hợp (polyme blend)

Đặc trưng quan trong nhấ ủt c a polymer blend c a hai (ho c nhiủ ặ ều hơn)

là cấu trúc pha Polyme blend (như các phân tử dung môi kh i lư ng phân t ố ợ ửthấp) có th ng nh t hoặể đồ ấ c tách pha và các m c đ khác nhau H s quan ở ứ ộ ệ ốtrong nhất tri phối khả năng trộn hợp các vật li u có kh i lư ng phân t th p ệ ố ợ ử ấ

là entropy rất lớn so với các polymer có khối lượng phân tử ớn Đây là điề l u

mà làm cho vi c trệ ộn h p dung môi vợ ới dung môi được trong t l lỉ ệ ớn hơn so

với việc kết hợp giữa polyme và dung môi Phạm vi trộn hợp đư c giữa hỗợ n

h p polymer vợ ới polymer còn nh ỏ hơn nữa rất nhiều Như một ví dụ ề ỗn v h

hợp đồng nhất giữa hexane ethanol và giữa các phân tử polyolefin và poly(vinyl alcohol)

-1.2.1 Nhiệt động học quá trình hòa tan các polyme

Nghiên cứu nhiệt động học quá trình hòa tan các polyme góp phần mô

tả định lượng quá trình trộn các polyme trong một hệ Nó đựơc xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học của các dung dịch thường (dung dịch các hợp chất phân tử) Đối với một hệ ồ các polyme cho trước, từ các phương g m trình nhiệt động học, có thể tính toán và thiết lập giản đồ pha, hoặc từ các giản

đồ pha xác định được bằng thực nghiệm người ta có thể phân tích, đánh giá các thông số phụ thuộc thành phần, nhiệt độ, thông số hòa tan.v.v của các polyme Phương pháp thiết lập và mô tả hàm nhiệt động của quá trình trộn các

polyme (năng lượng tự do trộn - ∆G) dựa vào thuyết nhiệt động học ủc a Flory

- Huggin là cơ sở quan trọng để đánh giá mức độ hòa trộn (miscibility) hay tương hợp (compatibility) của các polyme

Lý thuyết Flory - Huggin

Lý thuyết Flory Huggin về nhiệt động học quá trình trộn các polyme - được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học về dung dịch các hợp chất thấp phân tử trong hóa lý đại cương Trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng tích và đẳng áp, phương trình nhiệt động mô tả quan hệ giữa biến thiên năng lượng tự do với biến thiên nội năng, biến thiên entropy và nhiệt độ của hệ được viết như sau:

∆G = ∆H - T∆S Trong đó:

∆G - biến thiên năng lượng tự do

∆H - biến thiên entalpy

∆S - biến thiên entropy

T - nhiệt độ của hệ

Vận dụng lý thuyết về dung dịch các hợp chất thấp phân tử khi xây dựng phương trình nhiệt động của dung dịch các polyme, Flory và Huggin đã chấp nhận nhiều giả thuyết gần đúng Trong đó, các mắt xích/đơn vị monome của các polyme thành phần được phân bố ngẫu nhiên trên các ô mạng có độ lớn bằng nhau và biến thiên entropy của hệ là:

Φ

=

B A A

A r

M

MM

Sự hòa trộn, sự tương hợp của các polyme trong polyme hỗn hợp

Để đánh giá mức độ trộn hợp các polyme, người ta đưa ra khái niệm về khả năng hòa trộn (miscibility) và khả năng tương hợp (compatibility) các polyme Khả năng hòa trộn các polyme thể hiện sự trộn hợp các polyme ở mức độ phân tử và tạo thành hệ vật liệu polyme đồng thể, một pha Khi đó, mức độ phân tán của một polyme trong polyme nền đạt kích thước phân tử hay kích thước nanomet Nhiều tính chất quan trọng và ưu điểm nổi trội của polyme hỗn hợp liên quan với đặc tính này của hệ Khi các polyme thành phần không có khả năng trộn hợp về mặt nhiệt động, hệ các polyme sẽ tách pha Khả năng tương hợp của các polyme thể hiện khả năng trộn hợp các polyme vào nhau bằng một biện pháp kỹ thuật/công nghệ nào đó để tạo thành một hệ vật liệu polyme mới đáp ứng các yêu cầu đề ra như tăng cường các tính chất cơ lý, tính chất điện môi, độ bền nhiệt, độ bền dung môi Thực tế có nhiều polyme không có khả năng trộn hợp về mặt nhiệt động (không hòa trộn) nhưng polyme hỗn hợp của chúng vẫn có tính chất cơ lý, độ bền nhiệt, độ bền điện tốt, tức là các polyme thành phần có khả năng tương hợp tốt, đáp ứng được các nhu cầu sử dụng nhất định Các polyme hòa trộn với nhau khi biến thiên năng lượng tự do (khi trộn chúng với nhau mang giá trị âm)

∆GR M R = ∆HMR R – T.∆SRMR < 0 Theo lý thuyết Flory – Huggin cổ điển, quan hệ giữ ∆GR M Rvới thông số tương tác phân tử giữa các polyme và thành phần các polyme như sau: 2 polyme chỉ hòa trộn và tương tác hoàn toàn khi thông số tương tác phân tử λR AB R< 0

∆GR M R/RTV = λR AB RΦR A RΦR B

1.2.2 Giản đồ pha và chuyển pha của hỗn hợp các polyme

Một hỗn hợp polyme ở trạng thái cân bằng khi năng lượng tự do của quá trình trộn các polyme đạt giá trị cực tiểu trong những điều kiện cho trước nào đó Điều này có nghĩa là một hỗn hợp đồng thể các thành phần polyme nằm ở trạng thái bền vững, khi năng lượng tự do (GR M R) của nó thấp hơn tổng năng lượng tự do của các thành phần (GR K R) ở trạng thái biệt lập

∆GR M R = GRMR – GRKR <0Như vậy, hai hỗn hợp polyme có tỷ lệ các thành phần khác nhau cũng

có thể tồn tại bên nhau Khi đó, năng lượng tự do GR M Rlà tổng của các GR M R của

cả hai pha Đối với một hỗn hợp các polyme, biến thiên năng lượng tự do GR M R

là hàm của nhiệt độ và tỉ lệ của các polyme (Hình 1.1) Trong trường hợp này, các polyme tách ra khỏi nhau ở nhiệt độ T1, trong khi đó ở nhiệt độ T3, hệ luôn bền vững tại tất cả các nồng độ khác nhau của các polyme thành phần Ngược lại, ở nhiệt độ T2, khi phần thể tích của polyme A trong khoảng ΦR A RP

tương ứng thu được đường

“binodal” trong giản đồ pha của hệ Các hỗn hợp polyme có phần thể tích nằm phía trong đường “binodal” sẽ không có khả năng tồn tại về mặt nhiệt động, đó là vùng hoàn toàn không hòa tan của các polyme, tức là ∆GR M R >0 Vùng ngoài là vùng hòa tan lẫn nhau không hạn chế của các polyme, tương ứng với các thành phần và nhiệt độ ở đó ∆GR M R<0 Vẽ đồ thị điểm uốn của các đường ∆GR M R nên giản đồ pha thu được đường “spinodal” không bền và sẽ bị tác pha Ngược lại, các hỗn hợp polyme có phần thể tích nằm giữa đường spinodal và binodal có thể tồn tại, được gọi là hỗn hợp giả bền Các hệ này chỉ tách pha khi được hoạt hóa bởi sự tạo mầm/tạo tâm phát triển pha

Hình 1.1 Giản đồ pha hỗn hợp polyme/polyme hỗn hợp

a) Giản đồ năng lượng tự do theo phần thể tích của polyme ở các nhiệt độ

khác nhau

b) Đường “binodal” và “spinodal” của hỗn hợp polyme

Binodal morphology Spinodal morphology

1.2.3 Các phương pháp phân tích sử ụ g trong nghiên cứu polymer d nblend

a Phương pháp phổ hồng ngoại

Phương pháp phổ hồng ngoại được dùng để nghiên cứu tương tác giữa các nhóm của các polyme thành phần hay giữa các chất tương hợp với các polyme thành phần hay Nếu pic hấp thụ đặc trưng cho các nhóm của các polyme thành phần được giữ nguyên trong phổ hồng ngoại của polyme hỗn hợp thì các polyme này không tương hợp Ngược lại, nếu trong polyme hỗn hợp xuất hiện các pic hấp thụ đặc trưng mới (tạo thành do phản ứng hóa học giữa các nhóm chức) hay có chuyển dịch pic đặc trưng của các nhóm chức so với các pic đặc trưng của các nhóm chức so với các pic đặc trưng của nó trong polyme thành phần (do tương tác đặc biệt), có thể dự đoán các polyme tương hợp một phần Quá trình ghi phổ hồng ngoại được tiến hành trên máy quan phổ hồng ngoại hoặc thiết bị quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)

b Phương pháp dựa vào ảnh hiển vi

Phương pháp dựa vào ảnh hiển vi rất thích hợp để nghiên cứu hình thái cấu trúc của vật liệu tổ hợp (vật liệu đa thành phần, vật liệu có nhiều pha, vật liệu có nhiều lớp) Nó là công cụ quan trọng để xác định mức độ hòa trộn, tương hợp hoàn toàn, tương hợp một phần hay không tương hợp của các polyme trong polyme hỗn hợp Nhờ ảnh hiển vi của polyme hỗn hợp, người ta

có thể quan sát thấy sự đồng nhất và không đồng nhất, sự đồng thể và dị thể,

sự liên tục và không liên tục (gián đoạn) của các pha polyme trong polyme hỗn hợp Các phương pháp phổ biến để xác định hình thái cấu trúc của polyme hỗn hợp là hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope, SEM), hiển vi nguyên tử lực (atomic force microscope, AFM), ảnh vi nhiệt Hiện nay, người ta có thể chụp ảnh hiển vi điện tử quét và hiển vi điện tử truyền qua của polyme hỗn hợp với độ phân giải cao, cỡ nanomet, trong đó pha phân tán được phân tán với kích thước siêu nhỏ trong pha liên tục

c Các phương pháp khác đánh giá khả năng tương hợp của các polyme

Để xác định sự tương hợp của polyme hỗn hợp, người ta còn áp dụng các phương pháp: Căn cứ vào nhiệt độ nóng chảy của polyme kết tinh trong polyme hỗn hợp giảm, sự giảm nhiệt độ nóng chảy của polyme kết tinh được

sử dụng để nghiên cứu tương tác giữa một polyme kết tinh một phần và một polyme vô định hình Vì một polyme có thể hóa thấp trong polyme hỗn hợp hòa trộn/tương hợp được xem như ở trạng thái tinh khiết (pure state) và nhiệt

độ ở đó phần kết tinh của nó hòa trộn với pha vô định hình sẽ thấp hơn, do đó xảy ra sự giảm nhiệt độ nóng chảy của polyme kết tinh một phần Nói cách khác, khi 2 polyme hòa trộn/ tương hợp ở trạng thái nóng chảy, thế hóa của polyme kết tinh giảm do thêm vào polyme thứ hai Điều này dẫn đến giảm nhiệt độ nóng chảy của cân bằng khi tăng hàm lượng polyme vô định hình, đặc biệt trong polyme hỗn hợp, giữa các polyme có các tương tác đặc biệt Các polyme hỗn hợp không hòa trộn/không tương hợp sẽ không có sự giảm nhiệt độ nóng chảy của polyme kết tinh ở trong đó Tạo màng mỏng từ dung dịc loãng đồng thể của hỗn hợp polyme: nếu màng thu được mở và dễ vỡ vụn, các polyme không tương hợp Phương pháp này khá thô và chỉ để tham khảo

sơ bộ Quan sát bề mặt và hình thức bên ngoài của sản phẩm từ hỗn hợp polyme được chế tạo ở trạng thái nóng chảy: nếu các tấm mỏng của vật liệu polyme hỗn hợp trong suốt, các polyme có thể tương hợp Ngược lại, nếu tấm mỏng thu được bị mở, các polyme không tương hợp Phương pháp này khá thô và chỉ để tham khảo sơ bộ

1.2.4 Các biện pháp tăng cường tương hợp polyme hỗn hợp (polyme trộn hợp)

Để chế tạo polyme hỗn hợp có chất lượng tốt và kết hợp được các ưu điểm của các polyme thành phần, các polyme trong hệ phải có khả năng hòa trộn, tương hợp hoàn toàn hoặc tương hợp một phần với nhau

Tương hợp không phản ứng: biến tính một trong hai polyme để tăng khả năng trộn lẫn, phân tán và tương tác hai polyme; thêm vào các polyme,

copolyme nhánh và copolyme ghép hoặc các chất phụ gia không tham gia phản ứng nhưng có khả năng trộn lẫn và tương tác với các polyme

Tương hợp nhờ các tương tác đặc biệt (tương tác riêng): gắn vào mạch của một hoặc hai polyme các nhóm có khả năng tương tác đặc biệt (tương tác riêng) và không tạo thành liên kết cộng hóa trị giữa hai polyme

Tương hợp phản ứng: các polyme có khả năng phản ứng, đặc biệt là phản ứng giữa các nhóm chức, hoạt động hóa của các polyme, phản ứng chuyển vị tạo thành copolyme tại chỗ trong quá trình trộn/ hỗn hợp hóa các polyme Copolyme tạo thành tại chỗ đóng vai trò của chất tương hợp cho các polyme ban đầu nhờ tăng cường tương tác, trộn lẫn và phân tán các polyme vào nhau

a Biến tính polyme

Phương pháp này thường được áp dụng cho polyme hỗn hợp có một polyme không phân cực hoặc ít phân cực và một polyme có cực Để tăng khả năng tương tác giữa hai polyme nói trên, tiến hành chức hóa hay cực hóa polyme không hoặc ít phân cực bằng cách gắn vào nó các nhóm có khả năng phản ứng, các monome có cực hoặc giảm khả năng phân cực của polyme có cực Các nhóm có khả năng phản ứng và nhóm có cực gắn vào polyme không phân cực hoặc ít phân cực có thể phản ứng với nhóm có khả năng phản ứng hoặc tương tác đặc biệt vơi nhóm có cực trong polyme có cực Nhờ các phản ứng, tương tác trên mà các polyme có khả năng tương hợp hoàn toàn hoặc tương hợp một phần với nhau Sử dụng chất tương hợp là polyme

a Tạo ra các mạng lưới polyme đan xen nhau

Để tăng khả năng trộn hợp và tương hợp các polyme, người ta còn sử dụng phương pháp tạo ra các mạng lưới polyme đan xen và móc vào nhau Trong đó, người ta tìm cách kết hợ hai polyme trong một mạng lưới đan xen nhau để tạo ra một hệ bền vững Các IPN được định nghĩa là các polyme hỗn hợp trong đó có ít nhất một trong các thành phần được trùng hợp và khấu mạch trong sự có mặt của một polyme khác Trong trường hợp, chỉ một trong

hai polyme thành phần của hệ được khấu mạch sẽ thu được bán IPN Cấu trúc hình thái học của polyme hỗn hợp chế tạo bằng phương pháp IPN phụ thuộc vào tỉ lệ các polyme thành phần độ nhớt của các pha polyme và tốc độ khấu , mạch polyme

1.2.5. Các phương pháp chế tạo vật liệu polyme hỗn hợp

Hiện nay, trên thế giới và ở Việt Nam, polyme hỗn hợp chủ yếu được chế tạo bằng các phương pháp sau:

1 Chế tạo polyme hỗn hợp từ dung dịch polyme

2 Chế tạo polyme hỗn hợp ở trạng thái nóng chảy

3 Phương pháp hóa lưu động

4 Trùng hợp monome trong một polyme khác

5 Tạo các mạng lưới đan xen của các polyme

6 Ngoài ra, còn có một số phương pháp khác để chế tạo polyme hỗn hợpTrong đó, các phương pháp chế tạo polyme hỗn hợp trong dung dịch, ở trạng thái nóng chảy trên các thiết bị gia công chất dẻo, lưu hóa động và tạo các màng lưới đan xen của các polyme được sử dụng phổ biến hơn cả

1.2.5.1 Chế tạo polyme hỗn hợp từ dung dịch polyme

Phương pháp Chế tạo polyme hỗn hợp bằng cách trộn và hòa tan các polyme trong một dung môi (dung dịch các polyme) hoặc trộn dung dịch của một polyme này với dung dịch của một polyme khác có lịch sử lâu đời và đã được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất các vật liệu có hình thái các pha đồng liên tục, trong đó có các màng thẩm thấu xốp dùng để lọc và ứng dụng trong ngành thị giác Trong hệ này, các pha polyme đồng liên tục, trong đó có các màng thẩm thấu xốp dùng để lọc và ứng dụng trong ngành thị giác Trong

hệ này, các pha polyme đồng liên tục, xen kẽ nhau hoặc chỉ tồn tại một pha sau khi pha thứ hai được trích ly bằng dung môi thích hợp Để tạo các màng thẩm thấu xốp, polyme thứ nhất được hòa tan vào một dung môi hòa tan tốt, sau đó dung dịch polyme này được trộn với polyme thứ hai không có dung môi Cuối cùng, dung dịch 2 polyme được đổ khuôn, sau đó loại bỏ dung môi

để thu được màng có kích thước pha phân tán micromet Để chế tạo polyme hỗn hợp hòa trộ, tương hợp hoàn toàn hoặc một phần, đòi hỏi rất quan trọng là các polyme phải cùng tan tốt trong một dung môi hoặc tan tốt trong các dung môi có khả năng trộn lẫn tốt với nhau Đầu tiên, tiến hành hòa tan từng polyme thành phần trong dung môi chung để thu được các dung dịch các polyme đồng nhất Sau đó, trộn các dung dịch polyme theo tỷ lệ đã tính toán sẵn, để các polyme trong dung dịch phân tán tốt vào nhau, cần phải khuấy chúng ở tốc độ khuấy cao trong một thời gian khá dài Trong nhiều trường hợp, người ta thường hòa tan và trộn lẫn các polyme có ra nhiệt, khi đó chúng

sẽ trộn lẫn với nhau tốt hơn

1.2.5.2 Chế tạo polyme hỗn hợp ở trạng thái nóng chảy

Phương pháp chế tạo polyme hỗn hợp ở trạng thái nóng chảy trên các thiết bị gia công nhựa nhiệt dẻo và chế biến cao su như máy trộn, máy đùn trục vít xoắn, máy ép, máy đúc phun, máy cán.v.v là phương pháp kết hợp đồng thời các yếu tố cơ - nhiệt, cơ - hóa và tác động cưỡng bức lên các polyme thành phần, các chất phụ gia trộn lẫn chúng với nhau Các chất phụ gia trong polyme hỗn hợp có thể là chất tương hợp, chất hoạt động bề mặt, chất liên kết, hợp chất thấp phân tử có khả năng phản ứng, chất hóa dẻo, chất khấu mạch trong công nghệ chế tạo polyme hỗn hợp, trộn, đùn, và đúc phun các polyme ở trạng thái nóng chảy là phổ biến nhất Về cơ bản, sự phát triển hình thái cấu trúc của polyme hỗn hợp chế tạo trong máy trộn nổi là hàm của thời gian và trong máy đùn trục vít xoắn là hàm của chiều dài trục vit xoắn

1.2.5.3 Phương pháp tạo các mạng lưới polyme đan xen

Một phương pháp chế tạo polyme hỗn hợp khá phổ biến hiện nay là tạo

ra các mạng lưới polyme đan xen, móc vào nhau (interprenetrating polyme networks, IPN) Các IPN được xem như polyme hỗn hợp trong đó có ít nhất một monome trùng hợp và khấu mạch polyme tạo thành trong một polyme khác Nói một cách khác, IPN là sự kết hợp giữa 2 hoặc nhiều polyme bằng các liên kết vật lý, ít nhất một trong các polyme được tổng hợp hoặc khấu

mạch với sự có mặt của polyme kia Khi chế tạo các IPN, cần phải tránh các phản ứng hóa học xảy ra với các polyme thành phần Khi 2 polyme thành phần trong hệ cũng được khấu mạch sẽ thu được mạng lưới các polyme đan xen hoàn toàn Khi một trong hai polyme thành phần được khấu mạch sẽ thu được bán IPN Nguyên tắc chế tạo các IPN từ 2 monome như sau: đầu tiên 2 monome được trộn lẫn ở dạng lỏng, sau đó phản ứng trùng hợp sảy ra với sự

có mặt của chất khơi mào và tạo thành 2 polyme thành phần Căn cứ vào chất khấu mạch và mục đích sử dụng, người ta có thể cho một trong hai polyme thành phần có mặt Có 2 phương pháp chính để chế tạo IPN Đó là phương pháp một giai đoạn và phương pháp hai giai đoạn Trong phương pháp một giai đoạn, 2 polyme được chế tạo đồng thời và độc lập với nhau Trong phương pháp 2 giai đoạn, tiến hành chế tạo lần lượt từng polyme, nói chung, phương pháp một giai đoạn được sử dụng phổ biến hơn do tiện lợi và có hiệu quả kinh tế

CHƯƠNG 2

2.1 Vật liệu polyme hydrogels thông minh

2.1.1 Giới thiệu polyme hydrogels

Polyme hydrogels (PHG) là loại polyme ưa nước, nhưng không hòa tan trong nước Trong môi trường nước, mạch polyme hấp thụ nước, tạo ra một mạng ba chiều (3D) các chuỗi mạch polyme, tại đó một phần bị solvate hóa bởi các phân tử nước nhưng các bộ phận còn lại có liên kết hóa học hoặc vật

lý với nhau Polyme hydrogel biểu hiện thuộc tính dễ hấp thụ nước dẫn đến làm trương nở thể tích, nhưng không hòa tan trong môi trường nước Hình 1.8

là ảnh cấu trúc mô phỏng mạng ba chiều của polyme hydrogels

Hình 2.1 Ảnh mô phỏng cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel

2.1.2 Tính chất cơ học của polyme hydrogel.

a Tính chất đàn hồi

Cao su là vật liệu đáp ứng với ứng suất gần như ngay lập tức và biến dạng là hoàn toàn thuận nghịch Biến dạng của cao su rất lớn, có thể lên tới vài trăm phần trăm Hydrogel cũng thể hiện các đặc tính tương tự trong trạng thái trương nở, nghĩa là có thể thực hiện một lực đàn hồi giống như cao su Vì vậy, ta có thể áp dụng mô hình lý thuyết về đàn hồi cao su cho vật liệu polyme hydrogel Theo nhiệt động học cổ điển, phương trình trạng thái đối với đàn hồi cao su như sau:

V L V

f T L

U f

, ,

T - nhiệt độ tuyệt đối

Theo nhiệt động học thống kê đối với chất đàn hồi, quá trình tăng về chiều dài chủ yếu đưa đến sự thay đổi vể entropy do sự thay đổi về khoảng cách đầu cuối của chuỗi mạng

Lực co lại và entropy có mối liên hệ với nhau thông qua phương trình Maxwell:

V L V

f L

S

, ,

T r kT

L

S T f

, ,

) , ( ln

f =

Với mạng có n chuỗi, biến đổi của năng lượng tự do Helmholtz gây biến dạng đàn hồi là:

2 / 1 2

2

r f

el

f

rdr r

nkT A

1

λ λ

ρ λ

τ

f C V

r M

RT W

su khi bị kéo dãn tỉ lệ trực tiếp với mật độ mạng (số các chuỗi mạng trên một

đơn vị thể tích) hoặc với M C

λ λ

ρ τ

n

C f

M r

r M RT

Trong đó:

n

M : khối lượng phân tử trung bình của chuỗi phân tử thẳng, trước khi được kết nối với nhau Từ đây ta có mối quan hệ ứng suất biến dạng không tuyến tính:

rM

RT

2 0

ρ

Do cao su và các vật liệu tương tự được coi như không bị nén nên có thể suy ra được suất đàn hồi Young như sau: E≡3G

b Tính chất đàn hồi nhớt

Trên thực tế polyme hydrogel không chỉ có tính đàn hồi bình thường

mà còn có tính đàn hồi nhớt Đàn hồi nhớt là một thuộc tính tự nhiên của loại vật liệu vừa có tính rắn vừa có tính lỏng Lý thuyết đàn hồi nhớt xem xét mối quan hệ giữa tính đàn hồi, dòng chảy và chuyển động phân tử trong các vật liệu polyme Do kích thước phân tử lớn, mà đáp ứng đàn hồi nhớt của vật liệu polyme phụ thuộc mạnh vào bản chất chuyển động của phân tử khi chịu tác động cơ học bên ngoài Vì thế, sự phụ thuộc thời gian cũng như độ lớn của ứng suất tác động hoặc biến dạng, có ý nghĩa quan trọng trong việc tiên đoán các đáp ứng cơ học của vật liệu cho các ứng dụng cụ thể Hai đặc trưng điển hình của tính đàn hồi nhớt là:

1 Tính dão: Biến dạng của vật liệu sẽ thay đổi theo thời gian dưới tác dụng của một ngoại lực không đổi Độ dão khi đó được xác định bằng tỉ số giữa biến dạng phụ thuộc thời gian và ứng suất đặt vào

2 Tính hồi phục: Để duy trì biến dạng của vật liệu không đổi, thì ứng suất

sẽ là hàm phụ thuộc thời gian Khi đó, suất đàn hồi được xác định như sau:

ε

σ ( ) )

Trong đó: σ và ε là ứng suất biến dạng

Tính chất đàn hồi nhớt thường được biểu diễn bằng mô hình sử dụng phần tử lò xo Hook, mô tả tính đàn hồi đặc trưng bởi suất đàn hồi Young (E)

và phần tử giảm chấn Neuton mô tả sự cản trở với ứng suất tác động, đặc trưng bởi độ nhớt (η)

Có 3 mô hình mô tả tính chất đàn hồi nhớt tiêu biểu, đó là:

Mô hình Maxwell

Mô hình này bao gồm một phần tử lò xo ghép nối tiếp với một phần tử giảm chấn Do ứng suất là như nhau cho cả hai phần tử, nên ứng suất tổng cộng bằng đúng ứng suất của mỗi phần tử

a) b)

Hình 2.2 Mô hình Maxwell (a) và đặc tính của mô hình (b)

Ứng suất của hệ là hàm suy giảm theo thời gian, và có dạng:

Trong đó:

σR 0 Rlà ứng suất ban đầu

τ đặc trưng cho hằng số thời gian hồi phục và được xác định bởi:

a) b)

Hình 2.3 (a) Mô hình Kelvin-Voigt và (b) đặc tính của mô hình

Mối quan hệ ứng suất và biến dạng sẽ là:

dt

d

E ε η ε

Hình 2.4 (a) Mô hình Zener và (b) đặc tính của mô hình

Mối quan hệ ứng suất và biến dạng sẽ là:

dt

dEEE

dt

τ ε

σ τ

Đây là mô hình thể hiện được ứng suất của vật liệu giống cao su như polyme hydrogel vì có thể mô tả chính xác quá trình ứng suất vật liệu hồi phục, tiến gần đến một giá trị tới hạn d ưới một biến dạng không đổi.

2.2 Polyme Hydrogel thông minh

Polyme Hydrogel thông minh là những polyme hydrogel có khả năng đáp ứng bởi các kích thích môi trường bên ngoài Chúng đáp ứng với các thay đổi thuộc tính rộng, nhạy đối với sự thay đổi môi trường trong các điều kiện vật lý hoặc hóa học Chúng có thể biến đổi ra nhiều dạng; cũng có thể được hòa tan trong dung dịch có nước Nó được hấp thụ hoặc cấy ghép vào bề mặt tiếp xúc rắn - nước, hoặc được tạo liên kết cầu trong các dạng polyme hydrogel Hinh 1.12 và bảng 8, giới thiệu những kích thích môi trường có thể gây nhạy cảm với các polyme hydrogel

F

Hình 2.5 Mô phỏng những tác nhân kích thích

tạo quá trình trương nở của PHG

Sự kích thích bởi môi trường

Vật lý

Nhiệt độ Lực ion Các dung môi

Sự phát xạ( UV, ánh sáng nhìn thấy)Điện trường

Sinh học

Các nền enzyme Các phối tử ái lực Các tác nhân sinh học khác

Bảng 2 1: Những y u t môi trường có thể tác đ ng bi n đ i hydrogels ế ố ộ ế ổ

2.2.1. Polyme Hydrogel thông minh (IHP) nhạy pH.

Đây là những IHP có chứa các nhóm chức có khả năng ion hóa Điển hình như các axit carboxylic hoặc các nhóm amine Sự phân loại của các

hydrogel nhạy pH dựa vào các đặc tính sau

Tính axit

Tính bazơ

Polyme có khả năng nhạy pH

Polyme sinh học và các polypeptide nhân tạo

Cơ chế hình thành khả năng nhận biết pH thông qua sự thay đổi môi trường Do sự sinh ra điện tích dọc theo mạch chính của polyme, lực đẩy tĩnh điện làm tăng thể tích thủy động lực học của polyme Sự biến đổi pH được

quan sát thông qua sự thay đổi môi trường Ví dụ như quan sát sự thay đổi môi trường của bộ máy tiêu hóa giữa ruột và dạ dày: gastrointestinal tract (GI- Tract) GI - Tract rất nhạy với sự thay đổi của pH và là một điểm quan trọng cho các ứng dụng của các polyme nhạy pH Độ pH của GI Tract là ~ 2 -trong khi của ruột pH là ~7,4 hoặc 7,8

IHP nhạy pH bao gồm các axit lưỡng tính tiêu biểu như:

(a) Poly (axit acrylic) (PAAc) (b) Poly (axit methacrylic) (PMAAc) (c) Poly (axit 2 ethylacrylic) (PEAAc) – (d) Poly (axit 2 propyl acryl– ic) (PPAAc)

(a)

(b) (c) (d)

IPH nhạy pH là những polyme bazo lưỡng tính, tiêu biểu như:

– Poly (N, N’ dimethylamino methacrylate) (PDMAEMA)

Poly (N, N’ – dimethylamino mathacrylate) (PDEAEMA

Poly (4 hoặc 2 – vinylpyridine) (PVP)

Poly (vinyl imidazone)

C = O

OH

IPH nhạy pH là những polyme có khả năng tự phân hủy, như:

(a) Poly (ortho este), (b) Poly (b – amino este), (d) Poly (Vinyl imidazole)

Ngoài ra, một số IHP nhạy pH bao gồm polyme sinh học và polypeptide nhân tạo, tiêu biểu:

Một số IPH nhạy pH từ biopolyme: (a) Sodium alginate, b) Chitosan

H 2 C CH 2

H 3 C CH 3

( CH 2 – CH ) n

N

(d)

(c)

Một số IPH nhạy pH từ polypeptide nhân tạo (c) Poly ( N - methacryloyl L Leucien, (d) - - - Pseudo - Peptide

2.2.2 Polyme Hydrogel thông minh nhạy cảm nhiệt độ

IHP nhạy cảm nhiệt độ thông qua biểu hiện sự chuyển trạng thái, như

sự chuyển trạng thái đông đặc dung dịch dẫn đến thay đổi nhiệt độ: -

Các polyme dựa trên nhiệt độ dung dịch giới hạn thấp (LCST)

(lower critical Solution Temperature)

Các polyme dựa trên sự cân bằng phân tử lưỡng tính (Polymers based on Amphiphillic balance)

Các polyme sinh học và các polymepeptide nhân tạo (Biopolymers and Artificial Polypeptides)

Các IHP nhạy nhiệt độ theo cơ chế LCST

IHP nhạy nhiệt độ theo

hiệu ứng LCST điển hình theo cơ chế này là bình thường, ở nhiệt độ thấp, polyme là chất lỏng Khi làm nóng ở nhiệt độ cao hơn, các polyme là các chất

kỵ nước và không trương nở đáng kể trong nước Một số polyme tiêu biểu của loại này như: Poly(nisopropylacrylamide) (PNIPAAm), Poly(N, NP

CH 2

CH 2

HN N

diethyacrylamide) (PDEAAm), poly(2-carboxyisopropylacrylamide) (PCIPAAm)

CácIHP hạy nhiệt độ theo hiệu ứng cân bằng trong phân tử lưỡng tính

Một số block copolyme có thành phần cấu tạo phân tử lưỡng tính, bao gồm các nhóm ưa nước và kỵ nước Loại polyme này cảm ứng nhiệt độ, tạo hạt micell trong môi trường nước và hình thành gel Như vậy, nhiệt độ hóa gel

là nhiệt độ tới hạn Ở trên nhiệt độ đó, dung dịch polyme đông là tạo thành gel Tiêu biểu cho vật liệu loại này là các copolyme 3 khối poly (ethylen oxit)

- poly (propylene oxit) poly (thylene oxit) (PEO PPO PEO).- -

Các IHP nhạy nhiệt độ từ các polyme sinh học và polypeptide nhân tạo

Tri - block copolyme bao gồm 230 amio axit, trong đó 84 nhóm có cấu trúc phân tử tạo nên hình xoắn ốc luân chuyển và 90 nhóm có cấu trúc phân tử tạo nên sự lặp lại nhiều lần là analyl glycine Sự rút gọn single - letter cho các xương amino axit như dưới đây: A, Ala; C, Cys;D, Asp; Eglu; E Phe; G, Gly;

H, His; 1, lle; K, Lis; L, Leu; M, Met; N, Asn; P, pro; Q,Gln; R, Arg; S, Ser;

T, Thr; V, Val; và W, Trp (b) Tạo gel vật lý từ polyme khối đơn phân tán

2.3 Những ứng dụng của polyme hydrogel thông minh

2.3.1 Ứng dụng làm vật liệu chuyển tải phân phối thuốc

Trong y - sinh học PHG được sử dụng làm chất chuyển tải thuốc Đây

là polyme tạo gel dạng in situ Sản phẩm điển hình có tên thương mại là Atrigel®, được phát triển bởi các phòng thí nghiệm ARTIX Tính ưu việt của loại dược phẩm này được thể hiện:

- Thể tích tiêm nhỏ

- Tiêm như một chất lỏng sử dụng các kim

- Đông đặc như các mô

- Trộn các thành phần suy biến sinh học

- Giá cả hấp dẫn

- Tiến bộ trong điều trị ung thư tuyến tiền liệt (Eligard®) hoặc các bệnh quanh răng

Hình 2.6: Thuốc điều trị ung thư tuyến tiền liệt Eligar®

và bệnh quanh răng Atridox®

Hình 1.14 dưới đây mô tả quá trình xử lý thuốc dạng Atrigel đã được

sử dụng trong lâm sàng Đầu tiên dung dịch Atrigel có chứa thuốc được tiêm vào cơ thể nơi cần điều trị Nước nội sinh là nguyên nhân gây cho Atrigel đông đặc và ở trong mô cấy suy biến sinh học Thuốc được giải phóng một cách có điều khiển, trị liệu các suy biến sinh học theo thời gian

Hình 2.7: Sơ đồ quá trình sử dụng thuốc dạng Atrigel trong lâm sàng

Hình 2.8.Chỉ dẫn các vùng mô có thể sử dụng

các hệ phân phát thuốc dựa trên Hydrogel

Tuy nhiên trong cơ thể con người không phải bất kỳ các vùng mô nào cũng dùng được loại dược phẩm này Hình 1.15 biểu diễn các vùng mô có thể

sử dụng các hệ phân phát thuốc dựa trên hydrogel Việc sử dụng các PHG trong hệ phân phát thuốc phải dựa vào các hiệu ứng nhạy cảm của nó Các hiệu ứng nhạy cảm của PHG thông qua quá trình kích thích bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, từ trường.v.v Hình 1.16 mô phỏng những tác nhân kích thích tạo quá trình trương nở của PHG

Sự trương nở và giải phóng thuốc của các PHG nhạy pH

Hình 2.9: Mô tả quá trình trương nở và giải phóng thuốc của dược phẩm

sử dụng PHG nhạy cảm pH

Thuốc được bọc trong hạt nang nano PHG Khi tiếp xúc với môi trường, hạt PHG có chứa thuốc trương nở trong môi trường kiềm Trong trường hợp cationic hydrogel, viên nang trương nở trong môi trường acid Những PHG được sử dụng trong trường hợp này là những PHG nhạy cảm pH Polyme hydrogel loại này tiêu biểu như được dùng Atrigel có cấu trúc hóa học (a) poly[MPC- -co methacrylic acid (MA)] (PMA) và poly[MPC co- -methacrylate acid (MBA)] (PMB)

Hình 2.10: Sơ lược sự giải phóng insulin từ gel nước cho HALB, LALB

(O), HAHB (Δ) Mỗi giá trị đưa ra nghĩa ± S.D (n = 4)

Sự trương nở và giải phóng thuốc của các PHG nhạy nhiệt độ

Những viên nang nano chứa thuốc ở trong môi trường có nhiệt độ tới hạn, viên nang PGH trương nở và giải phóng thuốc Các PHG nước nhạy nhiệt độ, điển hình như PNIPAAM poly (N isopropyl acrlamide) hoặc – copolyme khối Các polyme hydrogel này nhạy cảm theo hiệu ứng dựa trên nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp

1.3.2.3.2 Ứng dụng làm Biosensor

Dựa vào hiệu ứng nhạy cảm theo các thay đổi môi trường bên ngoài như thay đổi pH, thay đổi nhiệt độ, áp suất, từ trường.v.v Có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo biosensor, cơ nhân tạo.v.v.Ngoài ra, còn những ứng dụng khác như ứng dụng chuyển tải Gene, ứng dụng phân ly tế bào

CHƯƠNG 3

THỰC NGHIỆM

3.1 Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị nghiên cứu

3.1.1 Nguyên liệu

3.1.1.1 PVA (polyvinyl alcohol)

a Cấu tạo PVA (polyviyl alcohol)

Công thức phân tử: (CR 2 RHR4RO)Rx

Công thức cấu tạo:

Ở nhiệt độ thường, PVA là chất rắn vô định hình Khi đun nóng, PVA

bị mềm hóa, có thể kéo dài như cao su và khi đó nó sẽ kết tinh Giản đồ Rơnghen của PVA khi kéo có chu kỳ dọc theo sợi là 2.52 AP

o

P

và mạng lưới tinh thể có kích thước:

o

P

, cho thấy trong phân tử không có sự phân bố điều hòa các nhóm OH mà theo

sự phân bố thống kê Dựa vào sự khác nhau về cấu trúc không gian mà ta có PVA ở các dạng isotactic, syndiotactic hay atactic.Tổng hợp PVA bằng cách thủy phân polyvinyl formate thì PVA tạo ra ở dạng syndiotactic, thủy phân polyvinyl benzoate tạo PVA dạng izotactic, thủy phân polyvinyl acetate (PVAc) tạo hỗn hợp 3 loại: isotactic, syndiotactic và atactic, trong đó atactic chiếm chủ yếu

b Tính chất vật lý của PVA