Báo cáo thực tập những tiến bộ gần Đây trong việc chế tạo và ứng dụng nhựa phân hủy sinh học

Không giống nhựa truyền thống, nhựa sinh học có khả năng phân hủy trong các điều kiện môi trường nhất định, giảm thiểu lượng rác thải nhựa lâu dài.. Đặc tính và tiềm năng của nhựa sinh h

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN VẬT LÝ KĨ THUẬT Y SINH.



BÁO CÁO THỰC TẬP NHỮNG TIẾN BỘ GẦN ĐÂY TRONG VIỆC CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG NHỰA PHÂN HỦY SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : Th.s Lê Cao Đăng

Người phụ trách hướng dẫn : Kĩ sư Lê Thành Trung

Sinh viên thực hiện

Thành phố Hồ Chí Minh – năm 2024

Mục lục

I GIỚI THIỆU 3

1.1 Khái niệm về nhựa và vai trò trong đời sống hiện đại 3

1.2 Tác hại của nhựa truyền thống đến môi trường và sức khỏe 3

1.3 Nhu cầu cấp thiết về các giải pháp thay thế bền vững 4

1.4 Khái niệm về nhựa sinh học và phân loại 4

1.5 Các tiến bộ trong phát triển nhựa sinh học từ năm 2019 5

II ỨNG DỤNG CỦA NHỰA SINH HỌC 7

2.1 Ứng Dụng Trong Y Tế 7

2.2 Ứng Dụng Trong Bao Bì 7

2.3 Phân Hủy Sinh Học Của Nhựa Sinh Học 8

2.4 Các ứng dụng khác 8

III.THIẾT KẾ VÀ CẤU TẠO THIẾT BỊ ĐO GLUCOSE QUANG HỌC 9

3.1 Nguồn sáng 9

3.2 Cảm biến và bộ phát hiện 9

3.3 Hệ thống quang học 10

3.4 Mạch xử lý tín hiệu 10

3.5 Hệ thống hiển thị và giao tiếp 11

TỔNG KẾT 12

I GIỚI THIỆU

1.1 Khái niệm về nhựa và vai trò trong đời sống hiện đại

Định nghĩa về nhựa: Nhựa là vật liệu được chế tạo từ các hợp chất polymer,

chủ yếu có nguồn gốc từ dầu mỏ và khí tự nhiên Với cấu trúc phân tử dài, nhựa có thể có nhiều tính chất linh hoạt như độ bền cao, khả năng chống thấm, nhẹ, dễ chế tạo

và chi phí sản xuất thấp

Lợi ích và ứng dụng: Nhờ các đặc điểm trên, nhựa được sử dụng rộng rãi

trong đời sống hiện đại, từ bao bì đóng gói thực phẩm, sản phẩm tiêu dùng, đến các vật liệu trong xây dựng, điện tử và y tế Nhựa không chỉ đáp ứng nhu cầu tiêu dùng

mà còn tạo ra sự tiện lợi và cải thiện chất lượng cuộc sống

Các loại nhựa truyền thống: Đề cập đến các loại nhựa phổ biến như

polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), thường được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau do có giá thành thấp và độ bền cao Tuy nhiên, do không thể phân hủy sinh học, các loại nhựa này là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường

1.2 Tác hại của nhựa truyền thống đến môi trường và sức khỏe

Ô nhiễm môi trường: Nhựa truyền thống, vốn khó phân hủy trong môi trường

tự nhiên, tồn tại hàng trăm năm trước khi phân hủy hoàn toàn Khi xả thải vào môi trường, nhựa tích tụ trong các đại dương, bờ biển, rừng, và thậm chí các khu đô thị, gây ô nhiễm nghiêm trọng và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng không khí, đất, và nước

Tác động đến hệ sinh thái: Khi xâm nhập vào đại dương, nhựa có thể bị động

vật biển như cá, rùa, và chim ăn nhầm, dẫn đến tắc nghẽn hệ tiêu hóa, làm suy yếu sức khỏe và dẫn đến tử vong Nhựa vụn và microplastic còn gây ô nhiễm chuỗi thức

ăn, đe dọa các loài sinh vật sống trong môi trường nước và gián tiếp ảnh hưởng đến con người

Tác động đến sức khỏe con người: Một số hóa chất trong nhựa như

phthalates, bisphenol A (BPA) có thể ngấm vào thực phẩm hoặc nước uống khi nhựa tiếp xúc lâu dài, gây ra các vấn đề về sức khỏe như rối loạn nội tiết, ung thư, và các bệnh lý khác Điều này đặc biệt nguy hiểm khi sử dụng nhựa trong các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp với con người, ví dụ như chai nhựa, hộp thực phẩm

1.3 Nhu cầu cấp thiết về các giải pháp thay thế bền vững

Thống kê và tình hình ô nhiễm nhựa: Hiện nay, mỗi năm có hàng triệu tấn

nhựa bị thải ra môi trường, với một phần lớn kết thúc tại các bãi rác và đại dương Theo ước tính, có khoảng 8 triệu tấn nhựa rò rỉ ra đại dương mỗi năm, gây ra hiện tượng "đảo nhựa" và làm tổn thương nghiêm trọng các hệ sinh thái biển

Xu hướng bền vững và giảm thiểu nhựa: Trước tình hình ô nhiễm nhựa ngày

càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia và tổ chức quốc tế đã áp dụng các biện pháp nhằm giảm thiểu sử dụng nhựa truyền thống, thay thế bằng các sản phẩm bền vững, và thúc đẩy tái chế Các phong trào “không sử dụng nhựa” và các chính sách hạn chế sử dụng túi nhựa dùng một lần đang ngày càng trở nên phổ biến

Sự cần thiết của nhựa sinh học: Trước nhu cầu bức thiết về vật liệu thay thế,

nhựa sinh học nổi lên như một giải pháp tiềm năng, không chỉ có khả năng giảm thiểu

ô nhiễm mà còn giảm áp lực lên tài nguyên hóa thạch Nhựa sinh học có khả năng phân hủy sinh học trong môi trường tự nhiên, giúp hạn chế tồn dư rác thải trong đất

và nước

1.4 Khái niệm về nhựa sinh học và phân loại

Định nghĩa nhựa sinh học: Nhựa sinh học là loại nhựa có nguồn gốc từ các

nguyên liệu tái tạo như tinh bột ngô, mía, khoai tây, hoặc từ các quy trình tổng hợp sinh học Không giống nhựa truyền thống, nhựa sinh học có khả năng phân hủy trong các điều kiện môi trường nhất định, giảm thiểu lượng rác thải nhựa lâu dài

Phân loại nhựa sinh học: Nhựa sinh học được chia làm hai loại chính:

 Nhựa sinh học phân hủy sinh học: Bao gồm polylactic acid (PLA),

polyhydroxyalkanoates (PHA), và các loại nhựa khác có khả năng phân hủy tự nhiên trong các điều kiện nhất định PLA thường được làm từ tinh bột ngô, trong khi PHA được sản xuất từ vi khuẩn

 Nhựa sinh học không phân hủy sinh học: Ví dụ như bio-PET, bio-PE Dù có

nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo, nhưng các loại nhựa này không phân hủy sinh học Thay vào đó, chúng được thiết kế để tái chế, giảm lượng rác thải, và giảm nhu cầu sử dụng nguyên liệu hóa thạch

Đặc tính và tiềm năng của nhựa sinh học: Nhựa sinh học không chỉ giúp

giảm thiểu rác thải mà còn có khả năng thay thế cho nhựa truyền thống trong nhiều ứng dụng khác nhau nhờ khả năng dễ dàng tái chế hoặc phân hủy Các loại nhựa như PLA và PHA ngày càng được sử dụng nhiều trong bao bì thực phẩm, sản phẩm tiêu dùng, và trong các ứng dụng y tế do khả năng phân hủy và tính thân thiện với môi trường

1.5 Các tiến bộ trong phát triển nhựa sinh học từ năm 2019

Cải tiến công nghệ và đặc tính nhựa sinh học: Từ năm 2019, các tiến bộ

khoa học đã giúp cải thiện đáng kể các đặc tính của nhựa sinh học, như khả năng bền nhiệt, độ bền cơ học và tính linh hoạt Các loại nhựa như PLA và PHA không ngừng được nâng cấp để phù hợp hơn với các ứng dụng cần độ bền và khả năng chịu nhiệt cao

Ứng dụng mở rộng trong các lĩnh vực: Nhựa sinh học đã được thử nghiệm

và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ y tế, nông nghiệp, đến công nghiệp thực phẩm

Ví dụ, PLA được sử dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm và y tế, còn PHA được phát triển cho các ứng dụng trong kỹ thuật sinh học và hệ thống phân phối thuốc nhờ khả năng tương thích sinh học

Tiềm năng phát triển nhựa sinh học trong tương lai: Với sự gia tăng nhu

cầu toàn cầu về vật liệu bền vững, nhựa sinh học có tiềm năng phát triển mạnh mẽ và

sẽ tiếp tục là một trong những lựa chọn hàng đầu để giảm thiểu rác thải nhựa Theo ước tính, thị trường nhựa sinh học có thể đạt giá trị hàng tỷ USD trong thập kỷ tới, với các cải tiến tiếp theo về chi phí và quy trình sản xuất

II ỨNG DỤNG CỦA NHỰA SINH HỌC.

2.1 Ứng Dụng Trong Y Tế

Nhựa phân hủy sinh học đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu chính trong các ứng dụng y sinh học trong 50 năm qua Các tiến bộ nổi bật đã xuất hiện trong việc sử dụng nhựa phân hủy sinh học như là phương tiện phân phối thuốc để giải phóng thuốc có kiểm soát và trong việc phát triển các thiết bị trị liệu, bao gồm cả thiết bị cấy ghép và giàn giáo ba chiều cho kỹ thuật mô

3.1 Nhựa phân hủy sinh học làm hệ thống phân phối thuốc (Drug Delivery Systems - DDS)

 Hệ thống hạt nano làm chất mang thuốc: Nhựa phân hủy sinh học trong hệ

thống DDS được sản xuất để tự tổ chức thành các nanocarrier có thể mang thuốc cụ thể DDS phải đáp ứng hai yêu cầu chính: hiệu suất và an toàn Các DDS này cần có khả năng đóng gói thuốc hiệu quả, kéo dài thời gian duy trì tại

mô mục tiêu, và đảm bảo sinh khả dụng tối đa để đạt hiệu quả trị liệu DDS cũng phải phân hủy sinh học theo khung thời gian phù hợp với quá trình chữa lành của mô Đồng thời, các polymer phân hủy sinh học phải an toàn, không gây độc tính trong cơ thể sống hoặc kích hoạt phản ứng viêm từ hệ miễn dịch

 Nanomedicine dựa trên PHA cho DDS tiềm năng: Nghiên cứu đã áp dụng

polyhydroxyalkanoates (PHA) cho DDS, ví dụ như việc sử dụng polyhydroxybutyrate (PHB) tạo ra các micelle tự tổ chức trong nước, giúp đưa thuốc vào các tế bào ung thư qua cơ chế hấp thụ từ các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt tế bào ung thư

 Nanomedicine dựa trên PLA và PLGA cho DDS: Các polymer như

polylactic acid (PLA) và poly-lactic-co-glycolic acid (PLGA) đã được sử dụng rộng rãi trong DDS do tính tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học cao, giúp giảm thiểu các tác dụng phụ của thuốc khi phân phối trong cơ thể

 Polymer sinh học ít phổ biến cho DDS tiềm năng: Ngoài các polymer phổ

biến, một số polymer sinh học ít được sử dụng cũng có khả năng đáp ứng yêu cầu của DDS, mở rộng sự lựa chọn cho các ứng dụng phân phối thuốc đặc biệt

và độc đáo

3.2 Nhựa phân hủy sinh học làm thiết bị cho kỹ thuật mô

 Giàn giáo sinh học cho nuôi cấy tế bào in vitro: Nhựa sinh học như PDLLA,

PLGA, và PHA có thể được chế tạo thành giàn giáo giúp nuôi cấy tế bào trong phòng thí nghiệm, đóng vai trò như giá đỡ cho tế bào phát triển và sinh sôi Những giàn giáo này thường có độ xốp cao, cho phép các tế bào bám và phát triển, giúp tái tạo các mô bị tổn thương trong cơ thể

 Nhựa sinh học như vật liệu cấy ghép trong cơ thể (in vivo): Các loại nhựa

như PLA và PEG thường được sử dụng trong các ứng dụng cấy ghép vì độ tương thích sinh học cao và khả năng phân hủy sau khi hoàn thành vai trò trị liệu, từ đó tránh nguy cơ nhiễm trùng hoặc loại bỏ phẫu thuật

2.2 Ứng Dụng Trong Bao Bì

Starch: Tinh bột và các hợp chất của nó chiếm tỷ lệ cao nhất trong các loại nhựa sinh

học dùng làm bao bì Tinh bột có thể được sử dụng trong các màng bao thực phẩm, với đặc tính phân hủy sinh học và giá thành thấp

Polylactic Acid (PLA): PLA là một polymer phổ biến cho bao bì, đặc biệt trong

ngành thực phẩm PLA có tính cứng và khả năng chịu nhiệt hạn chế nhưng có thể cải thiện bằng cách pha trộn với các polymer khác

Polyhydroxyalkanoates (PHA): PHA, với đặc tính mềm dẻo và chịu nước tốt, là

một lựa chọn cho bao bì thay thế các loại nhựa truyền thống như PP và PE Tuy nhiên, do chi phí sản xuất cao, PHA vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi

2.3 Phân Hủy Sinh Học Của Nhựa Sinh Học

Nhựa sinh học không chỉ có thể phân hủy trong các điều kiện thích hợp mà còn có thể giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường so với nhựa truyền thống Một số loại như PLA yêu cầu điều kiện nhiệt độ cao để phân hủy, trong khi các loại khác như PHA và tinh bột có thể phân hủy trong nhiều môi trường khác nhau

2.4 Các ứng dụng khác

Nhựa sinh học cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như in 3D và sản xuất các sản phẩm y tế có thể phân hủy sinh học, tạo điều kiện cho việc xử lý rác thải nhựa một cách bền vững

Phần này có thể giúp bạn xây dựng mục lục chi tiết và hướng dẫn nhóm của bạn triển khai các phần còn lại của bài nghiên cứu.

III.THIẾT KẾ VÀ CẤU TẠO THIẾT BỊ ĐO GLUCOSE QUANG HỌC

Thiết bị đo glucose quang học bao gồm các thành phần chính: nguồn sáng, cảm biến

và bộ phát hiện, hệ thống quang học, và mạch xử lý tín hiệu Các thành phần này phối

hợp với nhau để tạo ra, phát hiện, và phân tích tín hiệu ánh sáng khi đi qua mô hoặc dịch cơ thể, từ đó tính toán ra nồng độ glucose

3.1 Nguồn sáng

Nguồn sáng là thành phần chính trong các thiết bị quang học, giúp cung cấp ánh sáng với bước sóng phù hợp để tương tác với glucose Tùy thuộc vào phương pháp quang học được sử dụng, nguồn sáng có thể bao gồm các loại sau:

 Diode phát sáng (LED) hoặc đèn Halogen: Sử dụng phổ biến trong các

phương pháp quang học như phổ hồng ngoại gần (NIR) hoặc phổ tán xạ Raman Các LED thường hoạt động tốt ở bước sóng ngắn (700–1000 nm) và cho độ ổn định cao, dễ điều khiển cường độ và bước sóng

 Laser Diode: Được dùng trong phương pháp phổ Raman và phân cực quang

học Laser có ưu điểm là cung cấp nguồn ánh sáng đơn sắc, ổn định và có độ sáng cao, rất lý tưởng cho các kỹ thuật cần ánh sáng đơn sắc chính xác

 Nguồn sáng hồng ngoại (Infrared Source): Trong phương pháp phổ hồng

ngoại trung (MIR), các nguồn sáng hồng ngoại ở bước sóng dài hơn 2500 nm thường được sử dụng để phân tích chi tiết sự hấp thụ của glucose, tuy nhiên khả năng xuyên qua mô bị hạn chế

3.2 Cảm biến và bộ phát hiện

Cảm biến và bộ phát hiện có nhiệm vụ thu nhận và chuyển đổi ánh sáng sau khi tương tác với glucose trong cơ thể thành tín hiệu điện, để tiếp tục phân tích Có hai loại cảm biến phổ biến:

 Photodetector (Bộ phát hiện ánh sáng): Photodetector, như photodiode và

phototransistor, là loại cảm biến nhạy với cường độ ánh sáng và có khả năng phát hiện các thay đổi nhỏ trong tín hiệu ánh sáng Cảm biến này được sử dụng trong hầu hết các thiết bị quang học

 CCD hoặc CMOS Camera (Máy ảnh CCD hoặc CMOS): Được sử dụng

trong các thiết bị sử dụng phổ Raman hoặc OCT, giúp ghi lại tín hiệu ánh sáng

với độ phân giải cao Hệ thống camera có thể ghi lại cường độ và vị trí của ánh sáng tán xạ hoặc phản xạ từ mô để phân tích chi tiết hơn

3.3 Hệ thống quang học

Hệ thống quang học bao gồm các thấu kính, gương và lăng kính được sắp xếp để tập trung, điều hướng và tinh chỉnh ánh sáng trong thiết bị Cấu tạo hệ thống quang học thường bao gồm:

 Collimation Lens (Thấu kính hội tụ): Giúp ánh sáng từ nguồn sáng phát ra đi

theo chùm sáng song song, ổn định và tập trung trước khi đi qua mô hoặc mẫu

 Focusing Lens (Thấu kính hội tụ tập trung): Dùng để hội tụ ánh sáng tán xạ

từ mô đến cảm biến hoặc camera Thấu kính này rất quan trọng trong kỹ thuật OCT và phổ Raman, nơi cần phát hiện các thay đổi nhỏ về góc và cường độ của ánh sáng

 Bộ lọc phổ (Spectral Filter): Được thiết kế để chỉ cho phép các bước sóng cụ

thể đi qua, ngăn ánh sáng ngoại vi và cải thiện độ chính xác của phép đo Trong phổ Raman, bộ lọc thường được sử dụng để loại bỏ tín hiệu nền từ ánh sáng Rayleigh và chỉ giữ lại tín hiệu Raman

 Gương và Gương phân kỳ (Dichroic Mirror): Cho phép ánh sáng có bước

sóng nhất định đi qua và phản xạ lại phần còn lại, giúp điều chỉnh đường đi của ánh sáng theo thiết kế quang học của thiết bị

3.4 Mạch xử lý tín hiệu

Mạch xử lý tín hiệu là thành phần then chốt, giúp chuyển đổi tín hiệu quang học nhận được thành các tín hiệu điện tử có thể phân tích được và từ đó tính toán nồng độ glucose Các bộ phận chính của mạch xử lý bao gồm:

 Mạch khuếch đại tín hiệu (Signal Amplifier): Tăng cường tín hiệu từ cảm

biến quang học, đặc biệt hữu ích trong các phương pháp có tín hiệu yếu như Raman và phân cực quang học

 Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D (Analog-to-Digital Converter): Biến đổi tín hiệu

từ dạng analog (dòng điện liên tục) sang dạng số (digital) để dễ dàng xử lý trên các vi xử lý hoặc bộ vi điều khiển

 Bộ vi xử lý và thuật toán xử lý tín hiệu (Microprocessor and Signal Processing Algorithms): Bộ vi xử lý xử lý các tín hiệu thu thập được và áp

toán nồng độ glucose từ tín hiệu đã xử lý Các thuật toán xử lý phổ bao gồm hồi quy đa biến, phân tích thành phần chính (PCA), và mạng neuron nhân tạo

để đạt độ chính xác cao hơn

3.5 Hệ thống hiển thị và giao tiếp

Các thiết bị đo glucose không xâm lấn cần có giao diện hiển thị để cung cấp kết quả

đo cho người dùng:

 Màn hình hiển thị (Display Screen): Hiển thị nồng độ glucose và các thông

tin liên quan, giúp người dùng theo dõi trực quan và tức thời

 Kết nối không dây (Wireless Connectivity): Nhiều thiết bị hiện đại còn được

trang bị Bluetooth hoặc Wi-Fi, giúp truyền dữ liệu đến điện thoại thông minh hoặc các thiết bị y tế khác để lưu trữ và phân tích sâu hơn

3.6 Nguồn năng lượng và pin

Thiết bị đo glucose quang học không xâm lấn yêu cầu nguồn năng lượng ổn định để đảm bảo hoạt động liên tục và chính xác Các thiết bị này thường sử dụng pin có khả năng sạc lại, với thời lượng pin đủ để hoạt động suốt một ngày nhằm đảm bảo người dùng không phải sạc lại nhiều lần