Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp và tính chất đặc trưng của vật liệu nano lai mới đa chức năng Hydroxyapatite-g-Poly(2-Hydroxyethyl Methacrylate)

Hồ Chí Minh, Viện Kỹ thuật Công nghệ cao NTT, Trường đại học Nguyễn Tất Thành và sự hỗ trợ kinh phí đề tài “Nghiên cứu tổng hợp, tính chất và ứng dụng của vật liệu nano lai mới đa chức n

TỔNG QUAN

Hydroxyapatite (HAPs)

Hydroxyapatite (canxi hydroxyapatite, HAP) là một dạng apatit có chứa nhóm OH với công thức Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) hay Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Trong cơ thể người và động vật, HAP là thành phần chính trong xương chiếm đến 65–70 % khối lượng) và răng chiếm 99%) HAP có các đặc tính quý giá như: có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô; tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HAP là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người và có tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng

Các nhà nghiên cứu gần đây tập trung vào tổng hợp HAP ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng Ở dạng bột, HAP kích thước nano (trong khoảng 20–100 nm) có thể nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể HAP tự nhiên và nhân tạo ở dạng bột vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã đƣợc sử dụng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương Ngoài ra, HAP bột cũng có thể được dùng làm chất bổ sung canxi dưới dạng nước giải khát Ở dạng màng, HAP ở dạng lớp mỏng và siêu mịn phủ trên xương nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên HAP dạng xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương và răng, sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó

Bên cạnh các nghiên cứu ứng dụng HAP trong nghành dƣợc và vật liệu cấy ghép, HAP c n đƣợc sử dụng làm cột sắc ký để làm sạch và tách protein, peptide, và kháng

2 thể [1-3] Tuy nhiên, HAP tinh khiết dạng hạt hay dạng bột đều không thể phân hủy trong cơ thể con người [4-5]

1.1.2 Tính chất của HAPs a Tính chất vật lý

Hydroxyapatite (HAP) có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy theo điều kiện h nh thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp HAP có nhiệt độ nóng chảy 1760 ºC và nhiệt độ sôi 2850 ºC, độ tan trong nước 0,7 g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60 g, khối lƣợng riêng là 3,156 g/cm 3 và độ cứng theo thang Mohs bằng 5 Các tinh thể HAP tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [6]

Hình 1 1 Ảnh SEM của các tinh thể HAP a) Dạng h nh que, b) Dạng h nh trụ, c)

Dạng h nh cầu, d) Dạng h nh sợi, e) Dạng h nh vảy và f) Dạng h nh kim [7] b Tính chất hoá học

HAP phản ứng với các axit tạo thành muối canxi và nước:

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 2HCl  3Ca 3 (PO 4 ) 2 + CaCl 2 + 2H 2 O HAP tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 ºC đến

3 1200 ºC tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng:

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2  Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2-2x O x + xH 2 O (0  x  1) Ở nhiệt độ lớn hơn 1200 ºC, HAP bị phân huỷ thành β-Ca 3 (PO 4 ) 2 β–TCP) và Ca 4 P 2 O 9 hoặc CaO:

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2  2β–Ca 3 (PO 4 ) 2 + Ca 4 P 2 O 9 + H 2 O

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2  3β–Ca 3 (PO 4 ) 2 + CaO + H 2 O c Tính chất sinh học

Do có cùng bản chất và thành phần hoá học với xương tự nhiên, HAP tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAP là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng Ở dạng màng và dạng xốp, HAP có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ngoài ra, HAP là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính kháng khuẩn cao

Hợp chất HAP tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAP được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản Vì những đặc tính này, bột HAP kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao

1.1.3 Ứng dụng của vật liệu HAP tinh thể

Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HAP có thể được dùng để ghép nối, sửa chữa khuyết tật của xương trong cơ thể người bằng gốm HAP dạng khối xốp hoặc dạng hạt HAP bột cũng có thể đƣợc sử dụng để bào chế các loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi

4 Công nghệ màng nano HAP đã tạo ra những chi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với mô và xương tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao với cơ thể người

Ngoài ra, vật liệu HAP có khả năng làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc

Một nghiên cứu sử dụng HAP để khảo sát sự truyền dẫn thuốc của nó đƣợc các nhà nghiên cứu ở một trường đại học y khoa của Nhật, nhóm của Y.Shinto, tiến hành năm 1992 [7] Trong nghiên cứu của Y Shinto, hydroxyapatite đƣợc ép thành dạng khối với 2 kích thước 10x10x10mm và 4x3x3mm, ủ ở 1200 ºC trong 2 giờ, sau đó cho thuốc kháng sinh vào lỗ nằm chính giữa khối tạo ra nhờ siêu âm và cuối cùng bít lại bằng keo

-tricalcium phosphate Thí nghiệm dẫn truyền thuốc đƣợc thực hiện trong ống nghiệm và trong cơ thể chuột Chất kháng sinh Gentamicin được giải phóng ra môi trường ngoài đạt nồng độ cao nhất trong tuần đầu và sau tận 12 tuần mà khả năng giải phóng thuốc vẫn còn Sự xuất hiện của HAP khắc phục đƣợc những hạn chế của các chất dẫn truyền thuốc trước đó do các tính chất quan trọng: khả năng tương thích sinh học cao, thời gian nhả thuốc k o dài, và phương pháp tẩm không làm chất được mang bị biến tính nhiệt

Gần đây, người ta phát hiện HAP dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán isulin trong ruột [8] Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã tập trung vào ứng dụng HAP làm tá dƣợc trong các ca phẫu thuật miệng, đặc biệt hữu dụng trong việc cải thiện các tính chất của cấy gh p nha Năm 2012, Masahiro và cộng sự đã phân tích một chất mới với HAP nano tinh thể đa h nh dùng trên bề mặt Titan vi ghồ ghề bằng sự kết hợp giữa phương pháp phun lửa và ủ nhiệt tại nhiệt độ thấp [9] Sau đó, phân tích dung lượng sinh học mà loại vật liệu này có thể chứa được nhằm tăng độ tương thích trong cấy gh p xương Mô cấy Titian và mô cấy Titan vi ghồ ghề đã được bắn cát được nối với HAP cũng được phân tích bằng phương pháp định lượng xương y sinh trên chuột

Trong năm 2012, nhóm tác giả Y.Han đã nh n thấy những tính chất đặc biệt của HAP ở dạng nano và đã đƣa vào thử nghiệm ứng dụng làm màng lọc các tế bào hồng cầu Thí nghiệm đƣợc tiến hành dựa trên khảo sát sự phụ thuộc của việc kết tụ và hình

5 thái học của tế bào hồng cầu khi thay đổi kích thước và điện tích của hạt HAP Thí nghiệm dung huyết cũng được triển khai nhằm làm sáng tỏ khả năng tương thích với máu Các kết quả phân tích TEM và dung huyết đã chỉ ra bề mặt của HAP ở dạng nano có khả năng tích điện dương, có khả năng liên kết với bề mặt tích điện âm của các tế bào hồng, và lớp màng này hoàn toàn có khả năng giải hấp Nghiên cứu đã chứng minh được khả năng tương thích của HAP không chỉ dừng lại ở cấu trúc xương mà c n với cả tế bào hồng cầu, mở ra một hướng ứng dụng mới cho HAP trong hỗ trợ phân tách các tế bào hồng cầu

Tuy nhiên, vật liệu HAP có một nhƣợc điểm là độ bền n n, độ bền uốn thấp Tồn tại này cản trở việc áp dụng gốm HAP vào các chi tiết đ i hỏi chịu lực lớn Vì vậy, một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composite bằng cách phân tán HAP dạng bột vào các polymer sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đường sacaro [10] Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy gh p xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc Việc sử dụng các polymer sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn Mặt khác, các polymer này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của m nh Đây cũng là ƣu điểm vƣợt trội của vật liệu composite chứa HAP [11].

Polymer Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA)

Poly(2-hydroxyetyl metacrylat) là hydrogel đƣợc nghiên cứu rất nhiều do có có tính tương thích sinh học cao, có các nhóm chức có khả năng phát triển các chức năng khác Nó đƣợc tổng hợp bởi quá trình trùng hợp 2-hydroxyetyl metacrylat với etylenglicol dimetacrylat a Tính chất cơ lí Đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là chất mang nền gel phải duy tr đƣợc 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

6 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 đƣợc điều này, gel mang thuốc phải có khả năng duy tr đƣợc độ bền vật lí cũng nhƣ độ bền cơ học để đáp ứng yêu cầu của vật liệu sinh học hiệu quả Độ bền của vật liệu có thể tăng cường nhờ bổ sung các tác nhân tạo lưới, comonomer cũng như tăng mức độ khâu mạch [12] b Tính chất tương hợp sinh học

Một đặc điểm quan trọng của vật liệu tổng hợp nhƣ hydrogel là phải đảm bảo tính tương hợp sinh học và không độc để trở thành một polymer y sinh khả dụng Hầu hết các polymer đƣợc sử dụng cho ứng dụng y sinh đều phải trải qua những thử nghiệm về độc tế bào và độc tính in vivo Hầu hết những vấn đề về độc tính của hydrogel là do các monomer chƣa phản ứng, các oligomer và chất khơi mào giải phóng ra trong quá trình ứng dụng Bởi vậy việc đánh giá khả năng gây độc của tất cả các loại vật liệu sử dụng để tạo gel là một phần không thể thiếu nhằm xác định tính phù hợp của gel cho những ứng dụng sinh học Nhằm làm giảm nguy cơ gây độc thì việc sử dụng các chất khơi mào cũng đƣợc loại bỏ nhờ sử dụng bức xạ  nhƣ một kỹ thuật trùng hợp Ngoài ra động học của quá trình trùng hợp cũng đƣợc nghiên cứu để đạt đƣợc tốc độ chuyển hóa cao, tránh đƣợc monomer chƣa phản ứng và các sản phẩm phụ [13] Độ tương thích sinh học của pHEMA c n được ứng dụng trong các thí nghiệm mô phỏng quá trình can-xi hoá sụn và kết xương như trong thí nghiệm của R.Filmon và cộng sự [14] Polymer đƣợc trùng hợp trong dung dịch với chất khơi mào là benzyl peroxide, và sau đó đƣợc acid hoá nhờ axít bromoacetic trong NaOH nhằm tạo điều kiện cho các protein bám vào khơi mào cho quá trình canxi hoá sụn Đồng thời một cách biến tính pHEMA khác cũng đƣợc triển khai khi gắn alkaline phosphatase nhờ cho chất này vào trong quá trình phản ứng trùng hợp polymer 3 mẫu polymer, bao gồm 2 mẫu biến tính và 1 mẫu pHEMA để đối chiếu, đƣợc xem x t độ lắng đọng Ca sau các khoảng thời gian trong các dung dịch mô phỏng trong cơ thể sống Kết quả

7 nghiên cứu chỉ ra rằng pHEMA có thể trở thành giá thể cho sự phát triển của cấu trúc xương và do pHEMA c n nhóm chức có thể hoạt động, nên việc biến tính các nhóm chức này, một cách dễ dàng, có thể làm thay đổi hoàn toàn chức năng và hiệu quả so với ban đầu

Năm 2004, G Mabilleau và cộng sự đã nghiên cứu sự phân huỷ sinh học của pHEMA với các tế bào J774.2 [15] PHEMA đƣợc sử dụng ở dạng mạch đơn cấu trúc 1D và dạng có các cầu nối giữa các mạch tạo thành cấu trúc 3D, cả hai đều đƣợc tổng hợp theo phương pháp huyền phù và trùng hợp khối, chỉ khác nhau duy nhất ở chỗ có hay không có tác nhân khâu mạch EGDMA (ethylene glycol dimethacrylate) Kết quả chụm ảnh SEM cho thấy các tế bào J774.2 nằm đƣợc trên màng pHEMA, nhƣng chỉ có pHEMA ở dạng 1D là có khả năng bao bọc lấy hầu nhƣ toàn bộ bề mặt của loại tế bào này Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng pHEMA dạng 1D bị chảy khi tiếp xúc với lưu chất sinh khối, kích hoạt các đại thực bào ở gần polymer và bị hao mòn dần

Poly(2-hydroxyethylmethacrylate) c n đƣợc ứng dụng trong chế tạo màng film chống mảng bám vi sinh [16] Nhóm của B Mrabet tổng hợp pHEMA theo hướng SI-ATRP, và kiểm chứng sự thành công của việc gắn này thông qua phổ XPS, để quan sát tỷ lệ O/C thay đổi theo bề mặt được chức hoá pHEMA là một chất có đầu ưa nước khi mà góc tới với giọt nước nằm ổn định theo thời gian dài khảo sát trong khoảng từ 50-60o Kết quả nghiên cứu cho thấy chủng vi khuẩn Samonella không thể bám trên bề mặt GS-pHEMA nữa Tuy nhiên hoàn toàn có thể biến tính thêm cho bề mặt này nhằm mục đích kháng khuẩn dựa vào phản ứng với 1,3,5-trichlorotriazine nhờ hoạt tính của nhóm –OH vẫn còn.

Ion Lanthanides (Ln 3+ ) ứng dụng trong quang-phát quang

Các phức của nguyên tố đất hiếm là những vật liệu phát quang quan trọng cũng nhƣ các vật liệu phát quang khác nhƣ chấm lƣợng tử bán dẫn (semiconductive quantum dots), các chất màu hữu cơ organic dyes) và các protein huỳnh quang, nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm trong việc phát triển các chất quang hoạt nhằm mục đích ứng dụng

8 vào l nh vực sinh học So với vật liệu phát quang thông thường, các phức của họ Lanthan có hiệu suất quang-phát quang cao kèm theo đó là phổ phát xạ hẹp, chuyển dịch Stokes lớn, và thời gian phát quang dài, vì thế hoàn toàn có khả năng thay thế cho phương pháp đánh dấu sử dụng phóng xạ hay chất màu hữu cơ Thêm vào đó, các nguyên tố họ Lanthan không gây độc đối với con người, và các polymer liên kết (chứa nhóm chức đóng vai tr phối tử) thường có hoạt tính xúc tác và có tính kháng khuẩn

Các phức chất của nguyên tố đất hiếm đƣợc biết đến bởi khả năng chuyển hoá cao nội năng của phối tử từ trạng thái singlet S1) thành triplet T1) và tương tự với nhân phức trung tâm Ion kim loại cho thấy đƣợc dải quang phổ rõ rệt khi chuyển từ mức 5Dx sang 7Fx Bởi vì kích thích dạng singlet và triplet đều xuất hiện trong hiện tƣợng quang-phát quang, nên cần tối ƣu hoá quá tr nh truyền năng lƣợng trong pha rắn, khung nền mà ion kim loại đƣợc phân tán, để tăng hiệu quả kích thích các ion kim loại đất hiếm

Việc gắn các nguyên tố họ Lanthan lên vật liệu vô cơ và hữu cơ thông qua phản ứng sol-gel hóa hay phản ứng tạo phức Việc hình thành các phức lai ghép của họ Lanthan với các vật liệu vô cơ hoặc hữu cơ đƣợc hình thành bên trong hệ sol-gel thông qua phản ứng trực tiếp hay tự xúc tác có thể cải thiện đƣợc tính chất phát quang của vật liệu Ví dụ, việc ngƣng tụ trialkoxysiyl-chức hoá chromophores khi có mặt họ Lanthan dẫn tái việc tạo thành vật liệu lai ghép có cấu trúc nano kèm theo sự phát huỳnh quang mạnh ngay cả khi nồng độ Lanthan là rất thấp Các ống carbon dạng nano (Carbon Nano Tubes, CNTs) đã đƣợc chức hoá cho thấy khả năng k o dài huỳnh quang khi phối trí với ion kim loại đất hiếm, và cụ thể hơn với trường hợp phức giữa CNTs và họ Lanthan đƣợc dùng cho vận chuyển thuốc và đánh dấu sinh học

Celedon và cộng sự đã xen chèn các ion có trạng thái kích thích dạng triplet nhƣ Eu 3+ và Tb 3+ với 2,2-bipyridine và 1,10-phenathroline vào trong khoáng sét bentonite tự nhiên, và nhận thấy cường độ phát quang của chất đã xen chèn là đáng kể so với phức tự do, đồng thời cải thiện đƣợc độ ổn định chống lại phản ứng thuỷ phân

9 Lezhnina và cộng sự đã phát hiện ra ảnh hưởng của tạp chất sắt tới tính phát quang của s t đƣợc thêm vào nguyên tố đất hiếm [17]

Tính chất quang của polymer có chức Eu 3+ và Tb 3+ trên bề mặt polymer đƣợc nhóm của A.Rosedo nghiên cứu và công bố vào năm 2003 [18] Phản ứng tổng hợp polymer với monomer là các phân tử acid acrylic, với chất khơi mào là K 2 S 2 O 8 Lợi dụng bản chất polymer tạo thành vẫn còn vô số nhóm chức acid trên bề mặt 1D của dây carbon, nhóm tác giả đã dùng Tb 2 O 3 và Eu 2 O 3 vừa để trung hoà, vừa để gắn các ion kim loại đất hiếm này lên polymer Trong kết quả phổ phát xạ huỳnh quang, hầu nhƣ không phát hiện đƣợc peak phát xạ của Tb 3+ nếu có sự xuất hiện của Eu 3+ trong vật liệu

Tinh thể hình que HAP với bề mặt đa chức chứa Sronti đƣợc tổng hợp bằng phương pháp thuỷ nhiệt vào năm 2010 bởi nhóm tác giả C Zhang [19] Nhóm tác giả đã sử dụng muối Nitrate của Stronti làm nguồn cung cấp kim loại này, vừa làm nguồn cấp oxi nhiên liệu, và dùng NH 3 /citrate nhƣ là chất khâu mạng Tuy nhiên, Stronti cũng là một kim loại kiềm thổ do đó trong công thức phân tử của hydroxyapatite, ion Ca 2+ được thay bằng ion Sr 2+ Thí nghiệm được triển khai nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ citrate/stronti đến hình thái và phát quang của sản phẩm Tinh thể nano hình que tạo thành hấp phụ mạnh nhất ở bước sóng 345 nm và phát huỳnh quang màu xanh dương đậm tại bước sóng 432 nm với hiệu suất phát quang là 22%

Năm 2011, nhóm nghiên cứu của F.Chen đã gắn các ion Eu 3+ /Gd 3+ lên bề mặt HAP hướng tới ứng dụng chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), chụp ảnh huỳnh quang, và chụp cắt lớp với máy điện toán (CT) [20] Phương pháp tổng hợp của thí nghiệm này tương tự như phương pháp thuỷ nhiệt khi nguyên liệu lấy từ nhóm nitrate, các ion kim loại Eu 3+ , Gd 3+ , Ca 2+ và phosphate được thêm sẵn vào dung dịch trước đó, nhưng thay vì dùng nhiệt để đốt cháy mạng PLA-mEG, quá trình thiêu kết đƣợc hỗ trợ bởi vi sóng diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn so với các phản ứng thuỷ nhiệt thông thường khác Với nồng độ Eu 3+ chỉ 5%, phổ kích thích cho thấy chất sản phẩm hấp thu bước sóng 394

10 nm rất mạnh Độ dài các bước sóng tại 4 đỉnh phát xạ gần như không đổi khi thay đổi tỷ lệ Eu 3+ /Gd 3+ , và trong đó các đỉnh peak có cường độ phát quang lớn nhất tại 615 nm chủ yếu là do sự dịch chuyển electron từ 5Do về 7F2 gây nên Tuy việc thay đổi nồng độ Eu 3+/ Gd 3+ không làm chuyển dịch các peak, nhưng khi tỷ lệ 1:2 th cường độ phát quang là mạnh nhất Bản thân dung dịch Eu 3+ có khả năng phát quang yếu, nhƣng chỉ khi kết hợp với một “mạng ăn-ten” thích hợp, thì mới có thể khuếch trương cường độ phát quang này

Bề mặt khoáng HAP có thể được biến tính theo cả 2 phương pháp tiếp cận: chức hoá nhờ liên kết cộng hoá trị hoặc không nhờ liên kết cộng hoá trị Chức hoá bề mặt HAP theo hướng cộng hoá trị nhờ phản ứng trùng hợp sống phân mảnh thuận nghịch

(RAFT) là rất tiềm năng, và cũng có 2 cách tiếp cận khác là “gắn từ” (grafting from) và

“gắn vào” (grafting to) Phương pháp RAFT cho ph p thực hiện phản ứng polymer hoá trên nhiều bề mặt hạt rắn khác nhau khi mà monomer sử dụng còn chứa nhóm chức có khả năng hoạt động Bởi vì vai trò cấu trúc khung phối tử là rất quan trọng trong đặc tính quang của phức chất kim loại đất hiếm, trong luận văn này, khung nền chức nhiều gốc carboxylic đƣợc đem phối trí lần lƣợt với Tb 3+ và Eu 3+ Nhóm acid carboxylic và polycarboxylic thường hay được sử dụng làm phối tử cho phức kim loại đất hiếm bởi vì khả năng tạo phức mạnh và bền nhiệt; và các poly carboxylic đóng vai tr quan trọng trong tổng hợp vật liệu sinh học

Hai ion đất hiếm có khả năng phát huỳnh quang mạnh trong vùng khả kiến là ion

Eu 3+ cho phát xạ màu đỏ, còn ion Tb 3+ cho phát xạ màu xanh lá cây Cặp ion này đã đƣợc sử dụng làm các ion kích hoạt trong vật liệu phát quang điện môi, do tạo thành một cặp ion có khả năng truyền năng lƣợng khá hiệu quả cho nhau [21]

Tổng quan về các phương pháp tổng hợp vật liệu

RDRP (Reversible-deactivation radical polymerization) là một cách gọi khác của phương pháp trùng hợp gốc tự do sống (Controlled/living Radical Polymerization,

CRP) [22] Một trong những ƣu điểm nổi trội của RDRP là polymer tổng hợp đƣợc có độ phân tán khối lƣợng thấp, điều mà phản ứng trùng hợp gốc tự do truyền thống (Free Radical Polymerization, FRP) khó thực hiện đƣợc [23] Bên cạnh đó, sản phẩm thu đƣợc đáp ứng đƣợc yêu cầu cao về độ tinh khiết và quá trình phản ứng giảm thiểu sự ảnh hưởng của nước Trong một số trường hợp, tốc độ phản ứng trùng hợp trong môi trường nước nhanh hơn trong môi trường dung môi hữu cơ [24] Dựa vào động học tương tác giữa gốc tự do và các mảnh bất hoạt, có 3 hướng tiếp cận RDRP dựa trên: gốc tự do bền (Stable Free Radical Polymerization, SFRP), chuyển dịch nguyên tử tạo gốc tự do (Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP), dịch chuyển biến tính (Degenerate Transfer, DT) [25]

Phương pháp SFRP được biết đến lần đầu vào năm 1985 bởi nhóm nghiên cứu CSIRO [68] kiểm soát phản ứng polymer hoá dựa trên gốc tự do trung gian bền (Stable Radical, SR) SR được sử dụng phổ biến và sớm nhất là gốc nitroxide, vì thế phương pháp SFRP còn có tên gọi khác là phản ứng polymer hoá dựa trên gốc tự do trung gian Nitroxide (Nitroxide-mediated radical Polymerization, NMP) Cơ chế của SFRP đƣợc minh họa nhƣ sơ đồ sau [23] Cơ chế phản ứng diễn ra theo 3 giai đoạn cơ bản: khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch Trường hợp sử dụng alkoxyamine, trong giai đoạn khơi mào, alkoxyamine (R 1 R 2 NOR) sẽ phân huỷ nhiệt tạo gốc tự do hoạt động và một gốc tự do nitroxide bền Gốc tự do R tác kích vào monomer tự do và bắt đầu phát triển mạch tạo một gốc tự do mới Các Nitroxide-mediated Radical (NMR) rất nhạy với các gốc tự do có tâm nằm trên nguyên tử Carbon và hầu nhƣ hằng số cân bằng cho phản ứng này chỉ phụ thuộc vào vấn đề cấu trúc không gian hình học của các tác chất [26]

Nhược điểm của phương pháp này là nhiệt độ tiến hành phản ứng thường cao, độ chuyển hoá thấp, và hay xảy ra các phản ứng phụ [27] Tuỳ vào điều kiện của phản ứng mà có thể đồng thời xuất hiện các phản ứng phụ với mức độ tác động cũng khác nhau, một số sản sinh thêm các gốc tự do đồng thời gia tăng tốc độ phản ứng polymer hoá [28], nhƣng cũng có khi phản ứng phụ phân huỷ phức chất trung gian từ sự gh p đôi thuận nghịch 2 gốc nitroxide có H ở vị trí [29] do hoặc làm yếu đi hoạt tính khi có nguyên tử H ở vị trí  [30]

Năm 1995, Giáo sư Krzysztof Matyjaszewski và cộng sự, thuộc trường đại học Carnegie Mellon, phát minh ra phương pháp ATRP [31] Phương pháp này được nghiên cứu và không ngừng phát triển tới nay ATRP, cùng với SFRP và NMP, thuộc nhóm các phương pháp CRP v thế polymer tổng hợp theo phương pháp này có thể có khối lượng phân tử lớn mà độ phân tán khối lượng lại nhỏ Điểm đặt trưng của phương pháp này là các phân tử kích hoạt có chứa nhóm halide (hoặc giả halide) và quá trình polymer hoá có sử dụng xúc tác phức kim loại chuyển tiếp Tổng hợp polymer theo con đường ATRP không những đơn giản mà chi phí hợp lý, do đó ATRP thường được lựa chọn để tổng hợp các vật liệu polymer mới

Năm 1968, M.Asscher và D.Vofsi [32] đã chứng minh khả năng phản ứng tách rời gốc halide để liên kết tạo phức với kim loại đa hoá trị thông qua phản ứng giữa CCl 4 và các hợp chất của Fe(II) và Cu(I) Việc gốc halide bị bứt ra khỏi phân tử sinh ra

13 một gốc tự do mới, và đây chính là ch a khoá cho phản ứng ATRP sau này Các giai đoạn của quá tr nh ATRP đƣợc mô tả trong Hình 1.2

Hình 1 2 Sơ đồ mô tả các giai đoạn phản ứng ATRP [32]

Phản ứng ATRP đƣợc bắt đầu bằng sự tách nhóm Halide (hay giả halide) ra khỏi phân tử để tạo thành gốc tự do nhờ phức chất của kim loại đa hoá trị (Mt z L m ) Có thể coi R-X là chất khơi mào vì gốc tự do ban đầu chỉ đƣợc sinh ra khi có một phân tử chứa nhóm Halide (hay giả halide) Gốc tự do Ro sinh ra tấn công vào nối đôi của các phân tử monomer sinh ra gốc tự do mới Gốc tự do mới này lại tiếp tục tấn công vào nối đôi các monomer khác cho tới khi chúng gặp lại phức chất ở mức oxi hoá cao, đƣợc gọi là quá trình bất hoạt Các gốc tự do sinh ra rất dễ bị bất hoạt bởi phức chất có mức oxi hoá cao thông qua phản ứng thuận nghịch trả nhóm Halide (hay giả halide) về triệt tiêu gốc tự do, và sau đó lại có thể đƣợc kích hoạt trở lại nhờ chiều ngƣợc lại của quá trình bất hoạt

ATRP thuộc nhóm phương pháp CRP, do đó có được những đặc điểm nhất định mà nhóm CRP có, nhưng cũng có nhiều điểm cần lưu ý Hệ phản ứng có thể thực hiện

14 tốt trong hệ vi nhũ tương [33], nhũ tương [34] và CO 2 siêu tới hạn hay thậm chí chất lỏng ion Tuy nhiên, sự hiện diện của các nguyên tố kim loại chuyển tiếp đa hoá trị ở trạng thái mức oxi hoá thấp cũng chính là nguyên nhân gây ra các nhƣợc điểm lớn của ATRP đó là tính nhạy với oxi và sản phẩm tạo thành có chứa các kim loại nặng

Phương pháp RAFT được đề cập lần đầu tiên bởi CSIRO vào năm 1998 [35], đánh dấu một bức phá trong l nh vực tổng hợp polymer theo hướng CRP Một thuật ngữ khác cũng hay đƣợc sử dụng để thay thế cho “RAFT” là “MADIX” Thiết kế đại phân tử bằng sự trao đổi của xanthate, Macromolecular Design by Interchange Xanthate), bởi các nghiên cứu ban đầu về phương pháp này được thực hiện dựa trên tác nhân RAFT là gốc xanthate [36]

Hình 1 3 Số lƣợng các công tr nh liên quan tới NMP, ATRP và RAFT giai đoạn

2010-2016 Google Scholar, truy cập ngày 25/06/2016)

15 Kể từ năm 1998 cho tới nay, số lƣợng công trình nghiên cứu về RAFT ngày một tăng, chỉ tính riêng trong giai đoạn 2010-2016, trung bình mỗi năm có hơn 8100 bài báo khoa học lẫn bằng phát minh sáng chế về tổng hợp polymer theo hướng RAFT, cho thấy sự quan tâm của các nhà khoa học về phương pháp này Năm 2014, phương pháp RAFT lại chiếm ƣu thế và đang dần thu hút các nhà khoa học tập trung nghiên cứu vào hướng tổng hợp Cơ chế phản ứng RAFT được mô tả rút gọn trong hình 1.4

Hình 1 4 Cơ chế phản ứng RAFT [37]

Sự xuất hiện của gốc tự do Pn có thể do quá tr nh khơi mào gây nên, hoặc là kết quả của việc sát nhập các monomer với R hay Pm Quá trình diễn ra một loạt cân bằng gồm 2 bước, được gọi là quá trình sát nhập-phân mảnh, đóng vai tr chủ đạo trong phương pháp RAFT Hệ phản ứng thường bao gồm 3 thành phần: tác nhân RAFT, monomer, và tuỳ thuộc vào điều kiện và mục đích cụ thể của thí nghiệm mà có thể có thêm chất hoạt động bề mặt (tạo nhũ), dung môi và các phụ gia khác Cụ thể hơn, quá tr nh đƣợc mô tả nhƣ sau: Đầu tiên, chất khơi mào dưới tác dụng nhiệt (hoặc UV) phân huỷ tạo gốc tự do tấn công vào các monomer tạo gốc tự do mới, khối lƣợng các gốc tự do mới này tăng theo độ trùng hợp của nó Trong một vài trường hợp đặc biệt, phản ứng không cần chất

16 khơi mào vẫn tạo đƣợc gốc tự do ban đầu nhờ phân huỷ nhiệt, lấy ví dụ điển hình là Styrene trong khoảng từ 100-120 o C

Kế đến, thực hiện cân bằng chuyển mạch, hay cân bằng sát nhập-phân tách, bắt đầu phát triển mạch trên tác nhân RAFT Giai đoạn phát triển mạch chia làm 3 bước nhỏ: (1) Gốc tự do trong hệ tấn công vào nối đôi của phân tử tác nhân RAFT ban đầu hình thành gốc tự do trung gian không bền nhanh chống tách R ra nhờ cân bằng khác

(2) Gốc tự do R tấn công vào các monomer và hình thành gốc tự do lớn hơn nhƣ giai đoạn khơi mào:

(3) Gốc tự do P m gặp phải mảnh polymer có đầu RAFT và tấn công lại tạo phức chất trung gian, tiếp nối là cân bằng bứt P n ra khỏi cấu trúc, gọi là tái kích hoạt mảnh bất hoạt:

17 Cuối cùng là giai đoạn tắt mạch, các gốc tự do kết hợp với nhau và phản ứng kết thúc Trong đó, giai đoạn phát triển mạch của RAFT là giai đoạn quan trọng và đƣợc xem là chìa khoá của phương pháp này, bởi nó có liên quan tới việc lựa chọn tác nhân

T nh h nh nghiên cứu về phản ứng trên bề mặt HAP và phản ứng lai gh p

Tuy nhiên, tiềm năng ứng dụng của kỹ thuật RAFT trong việc tổng hợp các các vật liệu nano vẫn chƣa đƣợc các nhà nghiên cứu khám phá một cách đầy đủ Vì vậy, các nhà khoa học mong muốn phát triển một kỹ thuật đơn giản và linh hoạt để gắn trực tiếp tác nhân chuyển mạch RAFT lên các vật liệu nano và có khả năng kiểm soát quá trình trùng hợp của một số loại monomer

Hiện nay, RAFT là một phương pháp nổi trội có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của cộng đồng khoa học hiện đại trong việc sử dụng các vật liệu polyme đa chức năng, là một hướng phát triển vật liệu cấu trúc thông minh “smart materials” định hướng ứng dụng trong công nghiệp dược, quang điện, cảm ứng, y sinh học…

1.5 Tình hình nghiên cứu về phản ứng trên bề mặt HAP và phản ứng lai ghép HEMA lên bề mặt các hạt rắn nano khác nhau

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Năm 2001, Wenxi Hung và cộng sự tổng hợp pHEMA phát triển trên bề mặt chất mang là Au, theo hướng tổng hợp ATRP [50] Mục đích của công trình nghiên cứu này là phủ lớp màng polymer gắn kết trên bề mặt hạt Au thông qua độ dày của lớp màng đánh giá hiệu quả ảnh hưởng của từng yếu tố tới hiệu quả phản ứng Kết quả đạt đƣợc một lớp màng có bề dày 700 nm sau 12h phản ứng, là nguyên liệu cho thí nghiệm tiếp theo trong cùng công trình nghiên cứu của nhóm tác giả nhằm tạo ra các dẫn xuất dựa trên phản ứng của nhóm hydroxyl –OH với các chất khác nhau Công tr nh này đã khẳng định khả năng gắn pHEMA trên bề mặt một chất rắn, và nhóm chức –OH của pHEMA có tính linh động, là cơ sở tạo ra các dẫn xuất khác nhau

21 Năm 2009, Chaoying Wan và cộng sự đã thành công trong việc tạo ra vật liệu phát quang dựa trên sự kết hợp giữ ống nano Haloysite (HNTs) và ion Eu 3+ , “chất kết dính trung gian” là pHEMA và/hoặc copolymer của nó với pMMA theo quy trình ATRP [17] Mục đích của công trình nghiên cứu này là gắn pHEMA và hoặc copolymer của nó lên trên bề mặt, sau đó biến tính bề mặt bằng phản ứng của nhóm

OH thành nhóm chức COOH mới làm cơ sở để liên kết với Eu 3+ , để khảo sát ảnh hưởng cấu trúc tới sự phát quang của loại vật liệu lai ghép này Succinic Anhydride (SA) đƣợc sử dụng để phản ứng ester hoá với nhóm –OH theo tỷ lệ mol SA:HEMA=2:1 ở 20 o C, với hiệu suất chuyển hoá đạt 93,4% Điều thú vị là việc bổ sung khung HNTs luôn mang lại hiệu quả cao hơn so với việc không dùng khung HNTs (1,6 lần khi polymer ban đầu là pHEMA và 1,85 lần cho copolymer của nó với pMMA) Nghiên cứu này của Chaoying và cộng sự đã cho thấy khả năng biến tính nhóm chức OH của pHEMA đã đƣợc đính trên bề mặt rắn) nhờ phản ứng ester hoá trong pyridine với hiệu suất cao, và vai trò tích cực của khung chất rắn trong cường độ phát quang của vật liệu lai ghép tạo thành với Eu 3+

Nhóm nghiên cứu của Xiaowei Pei và cộng sự, năm 2006, gắn kết HEMA lên bề mặt ống carbon nano (Multiwalled Carbon Nano Tubes, MCNTs), không phải theo con đường ATRP, mà theo hướng RAFT [51] Lần này, tác nhân RAFT được tổng hợp là 4-(4-Cyanopentanoic Acid) Dithiobezoate , đƣợc gắn lên bề mặt MCNTs đã biến tính, là chất nền để từ đó phát triển mạch pHEMA Phản ứng polymer hoá đƣợc thực hiện với tỷ lệ tác chất ban đầu MCNTs:HEMA:AIBN 9,76mmol:4,85mmol:2,45mmol≈3,98:1,98:1 trong dung môi DMF 0,6344g chất/2mL dung môi) thực hiện ở 70 o C, đƣợc loại khí bằng cách hút chân không kết hợp bơm khí N 2 Nhóm chức –OH của PHEMA trên bề mặt vật liện MCNTs đƣợc chức hóa thành nhóm –COOH bằng phản ứng thuỷ phân trong môi trường acid Trên bề mặt vật liệu MCNTs có chứa nhóm COOH của polymer mà các nguyên tử Ag + đƣợc đính lên nhờ vào các liên kết phối trí, toàn bộ quá tr nh đƣợc thể hiện lại qua 1.7

Hình 1 7 Tóm tắt thí nghiệm của Xiaowei Pei và cộng sự [51]

Kết quả của nghiên cứu cho thấy trong khoảng thời gian khảo sát, thời gian phản ứng càng dài thì phân tử khối của polymer càng tăng và chỉ số PDI càng giảm, đạt đƣợc tối thiểu là 1,35 với thời gian phản ứng là 32h Nghiênc cứu đã chứng minh thành công khả năng gắn kết pHEMA lên bề mặt hạt rắn mà không thông qua ATRP vốn đã có quá nhiều nghiên cứu về nó, mà theo một hướng mới hơn cũng trong nhóm CRP, chính là RAFT Đồng thời, việc lợi dụng phản ứng thuỷ phân liên kết ester trong môi trường acid để tạo liên kết COOH cũng là một cách tiếp cận mới, đơn giản và ít tốn kém

Mới đây, năm 2013, tác giả Md Rafiqul Islam và cộng sự cũng đã xem x t khả năng phát quang của vật liệu lai ghép với Eu 3+ cũng dựa trên khung đƣợc tổng hợp từ Haloysite và pHEMA theo quy trình RAFT [52] Tác nhân RAFT để gắn lên bề mặt HNTs là 3-(chloropropyl)triethoxy silane (CPTS) Phản ứng polymer hoá đƣợc thực hiện với tỷ lệ khối lƣợng HEMA:HNT-RAFT:AIBN=1:0,2:0,0012 trong dung môi là

23 THF (4mL), ở 70 o C trong 8h và hệ phản ứng phải được làm trơ bằng N 2 trước khi bắt đầu Việc tách pHEMA để phân tích không dựa vào phản ứng thuỷ phân ester nữa mà là nhờ dung dịch HCl/DMF để phá huỷ cấu trúc HNTs Các nhóm carboxylic COOH trên bề mặt HNT đƣợc tạo ra nhờ phản ứng với succinic anhydride, và cuối cùng phối trí tạo phức chất với ion Eu 3+ , toàn bộ quá trình phản ứng đƣợc tóm tắt qua 1.8 Tính chất của PHEMA phân tách được từ vật liệu HNT được xác định bởi phương pháp GPC: Mn = 13800 và PDI = 1,35

Hình 1 8 Tóm tắt thí nghiệm của Md Rafiqul Islam và cộng sự [52]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, ở Việt Nam đã có một số nhóm nghiên cứu tập trung vào chế tạo vật liệu nanocomposites từ nhiều phương pháp khác nhau và được ứng dụng trong rất nhiều l nh vực Thông thường các phương pháp chế tạo đang sử dụng trong nước là trùng hợp in-situ (in-situ polymerization), trộn hỗn hợp nóng chảy (melt intercalation), trộn

24 hợp polymer trong dung dich (polymer solution intercalation) và trùng hợp nhũ tương (emulsion intercalation)

Tác giả T.D Tran và cộng sự đã nghiên cứu thành công tổng hợp vật liệu nano compozit cấu tạo bởi vật liệu vô cơ clay, montmorillonite) và poly ethylene oxide) bằng phương pháp trộn hỗn hợp nóng chảy [53-55] Ngoài ra, polyisoprene-g-silicas cũng được tổng hợp thành công bằng phương pháp polymer hóa gốc tự do bởi nhóm tác giả H.T.C.Nhan [54] Vật liệu compozit titanium dioxide (TiO 2 ) và polyaniline (PANi) cũng được chế tạo thành công bằng phương pháp trùng hợp hóa học in-situ sử dụng monomer aniline (ANi) và TiCl 4 đóng vai tr chất tiền thân [49]

Tuy nhiên, hiện nay vẫn chƣa có bất kỳ đề tài nghiên cứu nào liên quan đến việc gắn một tác nhân RAFT vào các hạt nano để thực hiện chức hóa polymer trên các bề mặt vật liệu đƣợc nghiên cứu ở Việt Nam Do đó, cần thiết phải có những nghiên cứu để tạo ra các vật liệu nano lai gh p, trong đó polymer được tổng hợp bởi phương pháp RAFT

Trong nghiên cứu của chúng tôi, đối tƣợng nghiên cứu là polycarboxylic với khả năng tạo phức với ion kim loại đất hiếm và có khả năng ứng dụng trong l nh vực sinh học Poly(2-hydroxymethylmethacrylate) pHEMA) đƣợc phát triển trên bề mặt của vật liệu HAP bằng phương pháp SI-RAFT Phản ứng ester hoá pHEMA tạo ra các nhóm carboxylic trên bề mặt của HAP tạo điều kiện cho phản ứng phối tử tạo phức với Eu 3+ và Tb 3+ tạo thành hợp chất HAP-g-PHEMA có tương thích sinh học và có tính chất phát quang Phức chất quang hoạt Ln 3+ trên nền HAP cùng với đặc tính phát huỳnh quang của vật liệu sẽ mở ra hướng nghiên cứu của vật liệu huỳnh quang có cấu trúc nano.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

Cho tới thời điểm này, chƣa có một công trình nghiên cứu nào công bố thành công việc lai ghép pHEMA trên bề mặt HAP theo phương pháp RAFT để từ đó gắn kết

25 với Ln 3+ làm vật liệu phát quang Vì thế mục tiêu của luận án này là tổng hợp thành công vật liệu lai ghép nano giữa HAP-pHEMA để làm khung cho các ion Ln 3+ gắn kết lên nhờ liên kết phối trí, đánh giá các tính chất của vật liệu lai ghép Với các mục tiêu trên, nội dung cần thực hiện của luận văn bao gồm:

1) Nghiên cứu tổng hợp tác nhân RAFT, và cố định tác nhân RAFT trên hạt nano HAPs

2) Nghiên cứu tổng hợp hạt nano lai ghép polymer HAPs-g-PolyHEMA thông qua quá trình SI-RAFT

3) Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano lai mới phát quang HAPs-g-PolyHEMA/Ln 3+

4) Xác định đƣợc tính chất đặc trƣng của vật liệu: phổ hồng ngoại (FT-IR), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA), quang phổ điện tử bằng tia X (XPS)

5) Phân tích và đánh giá tính chất phát quang của vật liêu HAPs-g-PolyHEMA/Ln 3+

(Tb 3+ và Eu 3+ ) bằng phổ quang phát quang (PL)

THỰC NGHIỆM

Hoá chất và thiết bị thí nghiệm

- 2-hydroxyethyl methacrylate HEMA) đã đƣợc chạy qua cột alumina để loại bỏ các chất ức chế, Sigma-Aldrich (Mỹ)

- 2,2 -Azobisisobutyronitrile AIBN) được kết tinh với ethanol trước khi sử dụng, Sigma-Aldrich (Mỹ)

- Tetrahydrofuran THF) được sấy khô trên CaH2 và được chắt lọc trước khi sử dụng, Sigma-Aldrich (Mỹ)

- Hydroxyapatite nanocrystals (HAP NCs), sodium ethyl xanthate, 3- (chloropropyl)triethoxy silane, pyridin, anhydrit succinic (SA), Eu(NO 3 ) 3 , 1,10- phenanthroline (phen), Sigma-Aldrich (Mỹ)

- Bếp từ có khả năng điều chỉnh tốc độ khuấy và nhiệt độ

- Hệ thống cung cấp khí N 2 - Cá từ

Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích cấu trúc của vật liệu bằng phương pháp hồng ngoại IR) được thực hiện trên thiết bị FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), model Tensor 37 tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Số 1 Mạc Đ nh Chi, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh

- Phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA) đƣợc tiến hành trên thiết bị phân tích Perkin- Elmer Pyris (USA) Các mẫu đƣợc quét trong khoảng nhiệt độ từ 50-800 ºC với tốc độ gia nhiệt là 10 ºC.min -1 dưới d ng khí nitơ liên tục Các mẫu được phân tích tại Trung tâm Kỷ thuật nhựa – Cao su và đào tạo quản lý năng lƣợng (PRET), 156 Nam Kỳ Khởi Ngh a, P.Bến Nghé, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh

- Quang phổ điện tử bằng tia X (XPS) phân tích thành phần bề mặt của các mẫu trong điều kiện chân không siêu cao sử dụng bức xạ Al Kα Các mẫu vật liệu đƣợc phân tích trên thiết bị Thermo VG Multilab 2000 tại trường Đại học quốc gia Pukyong, Busan, Hàn Quốc

- Phân tích hình thái của vật liệu bằng phương pháp kính hiển vi qu t điện tử (Scanning Electron Microscope, SEM) với thiết bị Model JEOL JSM-6600F (Mỹ) tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, Số 1 Mạc Đ nh Chi, Quận 1, Tp Hồ Chí Minh

- Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 H-NMR của PHEMA được tách từ hạt nano HAPs-g- PHEMA đƣợc ghi lại trên máy Brucker AV 500 trong CD3OD tại Bộ môn hữu cơ, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, 227 Nguyễn Văn Cừ, Quận 5, Tp Hồ Chí Minh

- Phân tích GPC của các mẫu đƣợc thực hiện trên thiết bị HP 1100 có gắn 3 cột tiêu chuẩn 10 4 , 10 3 , 10 2 Å: dịch vụ tiêu chuẩn polymer tại PTN Trọng điểm Quốc gia Vật liệu Polymer và Composite, trường Đại học Bách Khoa, 268 Lý Thường Kiệt, quận 10, Tp Hồ Chí Minh

- Tính chất quang học của các vật liệu nano lai đƣợc phân tích bằng quang phổ huỳnh quang (PL) trên thiết bị F-4500 Spectro-fluorometer (Hitachi, Nhật Bản) tại Phòng vật lý ứng dụng, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, 227 Nguyễn Văn Cừ, quận 5, Tp Hồ Chí Minh

Nội dung thực nghiệm

Hình 2 2 Sơ đồ tổng hợp tác nhân RAFT

Tác nhân RAFT, S-benzyl S-trimethoxysilylpropyltrithiocarbonate BTPT) đƣợc tổng hợp dựa theo quy tr nh được đề cập trong tài liệu trước đó [73] Hoà tan 0,81g NaOCH 3 vào trong 5 mL CH 3 OH khan thu đƣợc dung dịch A Lấy 3,1g 3-(mercaptopropyl)trimethoxysilane hoà tan vào trong 25 mL methanol khan đƣợc dung dịch B Nhỏ từng giọt dung dịch B vào dung dịch A trong môi trường N 2 , khuấy liên tục trong 2h Tiếp theo, thêm vào hệ phản ứng 1,5g CS 2 Sau khi khuấy 3 giờ, cho

29 1,94g Benzene chloride vào và khuấy liên tục trong 24 giờ cũng trong môi trường N 2 Hỗn hợp sau cô đặc đƣợc hoà tan với dichloromethane, lọc và cô đặc chân không tới khi khối lƣợng không đổi Quy trình thực hiện đƣợc mô tả trong Hình 2.1 và mô hìnhthí nghiệm đƣợc lắp theo hình 2.2

Hình 2 3 Mô h nh thí nghiệm tổng hợp BTPT

2.3.2 Gắn tác nhân RAFT trên bề mặt vật liệu HAP

Cân 1 g HAP; 1 g BTPT và 40 mL methanol cho vào bình cầu 100 mL, hỗn hợp đƣợc đánh siêu âm trong 30 phút Sau đó, b nh cầu đƣợc ngâm trong bể dầu ở 80 ºC trong 48h trong điều kiện khí nitơ Sau khi kết thúc phản ứng, sản phẩm đƣợc ly tâm, và rửa sạch bằng THF ba lần Tác nhân RAFT chức hóa HAP (HAP-RAFT) đƣợc sấy

30 khô trong chân không qua đêm ở 40 ºC Quy trình thực hiện đƣợc thể hiện qua 2.3 và lắp theo mô h nh nhƣ 2.4

Hình 2 4 Sơ đồ tổng hợp HAP-RAFT

Hình 2 5 Mô h nh thí nghiệm gắn RAFT lên bề mặt HAP

2.3.3 Tổng hợp HAP-g-pHEMA dựa trên phản ứng polymer hoá theo hướng SI-

Cân 1g HEMA; 0,2 g HAP-RAFT; 1,2mg AIBN; 4 mL THF và cho vào bình cầu

100 mL và gắn với thiết bị ngưng tụ hồi lưu Dung dịch này được làm sạch trong khí Nitơ, gia nhiệt ở 70 ºC và khuấy trộn liên tục trong 8 giờ Sau đó, hỗn hợp đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ ph ng và đƣợc kết tủa trong diethyl ether Sản phẩm đƣợc tách bằng cách lọc và rửa sạch với THF nhiều lần để loại bỏ các tạp chất cũng nhƣ các thành

32 phần PHEMA không phản ứng Cuối cùng, hạt nano lai ghép HAPs-g-PHEMA đƣợc sấy khô trong 24 giờ trong tủ sấy ở 40 ºC

Hình 2 6 Sơ đồ tổng hợp HAP-g-pHEMA Để xác định trọng lƣợng phân tử trung bình (M n ) và chỉ số độ phân tán (PDI M w /M n ) của pHEMA đƣợc lai ghép, chuỗi pHEMA đƣợc cắt từ hạt nano lai ghép HAP-pHEMA Cân 100 mg HAPs-g-PHEMA đƣợc hòa tan trong hỗn hợp gồm 1 mL HCl (2 M) và 10 mL của N, N-dimethylformamide (DMF) Dung dịch đƣợc khuấy ở 80 ºC trong 24h PHEMA đƣợc kết tủa trong diethyl ether Polymer đƣợc sấy khô trong chân không ở 40 ºC trong 24 h

Hình 2 7 Sơ đồ thí nghiệm phân tách pHEMA

2.3.4 Qui trình gắn ion Ln 3+ lên bề mặt hạt rắn nhờ phản ứng tạo phức với HAP- g-pSEMA

Hòa tan HAP-g-pHEMA 200 mg) và SA 208 mg) đƣợc phân tán trong 5 mL pyridin khan và khuấy trộn liên tục ở nhiệt độ phòng (30 o C) trong 24h Sau đó, hỗn hợp đƣợc rửa sạch bằng pyridin và kết tủa trong diethyl ether dƣ Sản phẩm HAP-g- pSEMA thu đƣợc bằng cách ly tâm và sấy khô trong chân không ở 40 ºC trong 12h

Tiếp theo, 100 mg HAP-g-pSEMA đƣợc hòa tan trong 5 mL ethanol khan và 2 mL dung dịch 1,10-Phenathroline Phen) 50mM đƣợc thêm vào từ từ (1giọt/giây) Giá trị pH của dung dịch đƣợc điều chỉnh đến 6-7 bằng dung dịch NaOH

34 Trong giai đoạn tiếp theo, 5mL dung dịch Ln(NO 3 ) 3` 100mM trong ethanol đƣợc cho từ từ vào dung dịch hỗn hợp trên và khuấy trộn tron 5 giờ ở nhiệt độ phòng (30 o C) và hỗn hợp đƣợc già hóa hỗn hợp đó trong 24 giờ Cuối cùng, sản phẩm thu đƣợc rửa sạch bằng ethanol 3 lần, và sấy khô trong điều kiện chân không ở 40 ºC

Hình 2 8 Sơ đồ tổng hợp HAP-g-pSEMA/Ln 3+

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Tổng hợp và tính chất của vật liệu HAP-g-pHEMA composit 3.1.1 Quá trình tổng hợp vật liệu HAP-g-pHEMA composit

Tác nhân RAFT đƣợc tổng hợp theo quy tr nh đƣợc đề cập ở Hình 3.1 Để tổng hợp nhóm chức trithiocarbonate đi từ nhóm thiol, CH 3 ONa đƣợc sử dụng nhƣ một tác nhân bazơ mạnh nhận proton tạo ion sulfide thuận lợi cho phản ứng cộng ái nhân vào CS 2 Ion Sulfide sinh ra tấn công vào nguyên tử carbon trên CS 2 , tạo thành hợp chất trung gian với trạng thái lai hoá của carbon là sp 3 Trạng thái trung gian này khá bền vững và sẽ không bị proton hoá cho tới khi tăng độ axít của dung dịch lên Sự tạo thành của nhóm trithiocarbonate khiến cho dung dịch từ trong suốt trở thành màu vàng nhạt đặc trƣng của nhóm chức này Sau đó, sử dụng phản ứng thế ái nhân để tổng hợp BTPT

Tác chất alkyl halide sử dụng là dẫn xuất monohalide bật I của toluene, vì thế phản ứng thế ái nhân có thể diễn ra theo cơ chế S N1 và S N2 , sinh ra ion Cl - kết hợp với Na + có sẵn trong dung dịch tạo thành muối NaCl ở dạng kết tủa màu trắng Hỗn hợp sau phản ứng đƣợc cô quay tại nhiệt độ phòng tới khối lƣợng không đổi nhằm đuổi hết các tác chất c n dƣ dễ bay hơi và dung môi của phản ứng

Hình 3 4 Các giai đoạn tổng hợp tác nhân RAFT

36 Hỗn hợp sau cô quay đƣợc hoà tan bằng dichloromethane rồi lọc bằng giấy lọc ở áp suất thường, phần rắn được rửa tới khi dịch lọc không màu để thu được sản phẩm là tối đa Dịch lọc và dịch chiết đƣợc trộn chung lại và sau đó tiến hành cô quay tới khối lƣợng không đổi và sấy ở 40 o C trong 24 giờ để loại bỏ dung môi Kết quả phân tích

1H-NMR của sản phẩm đƣợc thể hiện qua Hình 3.2

Hình 3 5 Kết quả phân tích 1 H-NMR của BTPT đƣợc tổng hợp

Trên phổ proton của BTPT, các tín hiệu mạnh ở vùng từ trường cao 3,54 ppm đặc trƣng cho proton H19, H20, H21) của nhóm CH3O trong CH 3 ONa c n dƣ Một mũi ba ở độ dịch chuyển hóa học 0,77 ppm th đặc trƣng cho nhóm metylen nằm gần nguyên tử Si trong phân tử BTPT, chính tương tác spin-spin đã tách mũi lớn này thành mũi ba

Nhóm tín hiệu ở 1,8 ppm đặc trƣng cho proton H13) của nhóm metylen Mũi ba cộng hưởng tại 3,4 ppm đặc trưng cho hai proton H12) của nhóm metylen liền kề Ngoài ra, việc xuất hiện mũi đơn tại 4,6 ppm tương ứng với proton của nhóm metylen (H7) kế bên vòng benzene Ngoài ra, proton (H2, H3, H4, H5 và H6) trên v ng benzene có độ dịch chuyển vào khoảng 7,3 ppm

37 Kết quả phân tích 1 H-NMR của BTPT (Hình 3.2), cho thấy BTPT đã đƣợc tổng hợp thành công Tuy nhiên, một số mũi của BTPT có độ chuyển dịch khá gần với của tác chất ban đầu là 3-mercaptotrimethoxysilane, điều này có thể là do 3- mercaptotrimethoxysilane c n dƣ sau quá tr nh tổng hợp và một số mũi lớn nằm gần đó như của nhóm CH 3 O hay làm tăng cường độ của CH 2 Si Việc xuất hiện một số tín hiệu đặc trƣng cho proton nhóm methylene trên vòng benzene đƣợc xác định là của BTPT bởi vì nếu benzyl chloride dƣ sẽ xuất hiện mũi đơn nằm ở 4,4 ppm (nhóm CH 2 )

Ngoài ra, trên phổ proton của BTPT không thấy có sự xuất hiện mũi của nhóm methyl trong methanol tại 3,9 ppm, điều này khẳng định không còn dung môi sau quá trình tách các chất dễ bay hơi

Tổng hợp và tính chất đặc trƣng của vật liệu HAP-pSEMA-Ln 3+ -Phen

Vật liệu lai ghép HAP-g-pHEMA đã đƣợc tổng hợp với vô số nhóm chức ester và hydroxyl tồn tại trên bề mặt hạt vật liệu Theo một số nghiên cứu trước, có 3 hướng tiếp cận khác nhau: chức hoá thông qua nhóm hydroxyl [17], chức hoá thông qua liên kết ester [51] hoặc tiếp tục tạo ra một co-polymer mới vẫn còn khả năng thực hiện phản ứng tiếp [61] Mục đích tiếp theo của nghiên cứu này là tạo ra nhóm chức –

COOH trên bề mặt HAP nhờ xử lý hoá học các mạch pHEMA đã phát triển trên đó, do đó tiến hành chức hóa các liên kết ester và/hoặc nhóm hydroxyl Để tăng cường hoạt tính của nhóm hydroxyl, do đó trong l nh vực vật liệu y sinh, người ta thường phải tiến hành quá trình hoạt hoá nhóm hydroxyl Có nhiều cách tiếp cận để hoạt hoá nhóm Hydroxyl: thông qua dẫn xuất sulfonyl halide [62], chuyển hoá trực tiếp thành –COOH thông qua phản ứng oxy hoá có xúc tác [63], hay phản ứng hoạt hoá với họ anhydride

[64] Việc sử dụng dẫn xuất sulfonyl chlorit thì phức tạp bởi vì phải tiến hành qua 2 giai đoạn để có thể chuyển đổi nhóm hydroxyl thành carboxylic Phản ứng oxy hoá có xúc tác cũng nhƣ phản ứng với nhóm anhydride đều có ƣu điểm chỉ cần qua 1 giai đoạn là có thể thu được nhóm COOH, nhưng rõ ràng là trong trường hợp phản ứng oxi hoá có xúc tác thì chất trung gian là aldehit có thể trở thành sản phẩm phụ của phản ứng và hiệu suất của các phản ứng này biến thiên trên một khoảng rất rộng Trong khi đó, hiệu suất của phản ứng giữa anhydride và hydroxyl là rất cao và không có sản

56 phẩm trung gian, và anhydride succinic lại là một chất có độ tương thích sinh học rất cao [65], vì vậy nó đƣợc sử dụng để biến tính hydroxyl trong l nh vực y sinh Về mặt phản ứng, ta có phương tr nh hoá học minh hoạ như sau:

Từ phản ứng trên, có thể thấy nhóm OH bị chuyển thành nhóm ester và đồng thời làm xuất hiện nhóm COOH do đó sẽ dễ dàng dự đoán rằng, trong phổ FTIR của HAP- g-pSEMA, cường độ của peak tại 3420 cm -1 được cho là của nhóm OH, sẽ bị giảm mạnh, thay vào đó là sự xuất hiện của peak hấp thu trong khoảng từ 2500-3300 cm -1 của COOH khi có liên kết hydro [60] Tuy nhiên, các liên kết chính của khung cacbon cũng dao động trong khoảng 2500-3300 cm -1 nên peak của nhóm –COOH bị che lấp [66] Sau khi thực hiện phản ứng gắn Ln 3+ lên nhờ tạo phức chức với các nhóm chức của polymer, Chaoying Wan và cộng sự cũng đã phát hiện ra trên phổ đồ FTIR sẽ xuất hiện thêm 2 peak tại 1571 cm -1 và 1446 cm -1 là của liên kết C=O và C-O trong phức chất Tuỳ thuộc vào nguyên tử kim loại trung tâm và phối tử mà ta có 3 dạng phức điển hình của nhóm carboxylic nhƣ sau:

57 Mỗi cấu trúc I, II, III cho ra những kết quả khác nhau về bước sóng hấp thu của liên kết C=O và C-O Cụ thể, bước sóng hấp thu của liên kết C=O có thể nằm từ 1604-1629 cm -1 (mô hình I), 1507-1526 cm -1 (mô hình II), 1580 cm -1 (mô hình III) [38] Ngoài ra, do sự khác biệt của hai nguyên tử -O- trong –COO- là khác nhau theo từng mô hình dẫn đến mức độ chênh lệch bước sóng hấp thu giữa liên kết -C=O và -C-O là khác nhau, theo thứ tự tăng dần: II