Tổng hợp vật liệu polyme dạng hydrogel nhạy nhiệt (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC HOÀNG DƢƠNG THANH TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME DẠNG HYDROGEL NHẠY NHIỆT Chuyên ngành: Hoá hữu cơ Mã số: 62.44.01.14 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ HÀ NỘI - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Phòng vật liệu Polyme Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Nguyễn Văn Khôi 2. PGS.TS. Trần Thị Nhƣ Mai Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Việt Bắc Phản biện 2: GS. TS. Bùi Chương Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Thị Bích Thủy Luận án sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước tại Viện Hóa học Vào hồi…….giờ…….ngày…….tháng……năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia hà Nội - Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 1 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học của luận án Polyme chức năng hay polyme "thông minh" là một hướng quan trọng trong ngành vật liệu cao phân tử thời gian gần đây. Các loại vật liệu polyme đặc biệt này thu hút được mối quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học bởi chúng có khả năng ứng đáp với các kích thích bên ngoài như pH, nhiệt độ, lực ion, điện và từ trường, các kích thích hoá học và sinh học … Các vật liệu polyme nhóm này còn thể hiện khả năng ứng đáp đồng thời với nhiều kích thích từ môi trường ngoài. Ngày càng có nhiều ứng dụng của vật liệu polyme thông minh trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học, vận chuyển thuốc, chuyển gen và công nghệ tế bào. Cơ chế của polyme thông minh được giải thích một cách đơn giản là sự thay đổi trạng thái của các mạch trong polyme theo những thay đổi của môi trường ngoài gây ra những tính chất thú vị có giá trị ứng dụng trong thực tế. Một trong những ứng dụng có giá trị nhất của các polyme thông minh hiện nay là sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm như một tác nhân duy trì hoạt tính đối với các loại thuốc điều trị là những phân tử sinh học như polypeptit, protein hay enzim. Các polypeptit, protein hay enzim chỉ có thể được cơ thể tiếp nhận theo những cách hạn chế bởi chúng có thể bị phân huỷ hay mất tác dụng khi đi qua những môi trường bất lợi trong cơ thể dẫn đến giảm hiệu quả chữa bệnh. Việc phát triển các chất mang thuốc có khả năng kết nang, cố định thuốc, giải phóng thuốc theo điều kiện môi trường … cho phép thuốc được vận chuyển đến đúng vị trí mong muốn trong cơ thể một cách an toàn, đúng thời điểm cần thiết và đúng liều quy định mà trước đây chưa thể thực hiện được. Một nhóm sản phẩm điển hình của các polyme thông minh đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ thời gian gần đây là các hydrogel. Hydrogel là polyme với cấu trúc mạng lưới 3 chiều có khả năng hấp thu một lượng nước cũng như chất lỏng sinh học lớn gấp nhiều lần khối lượng của chính nó và trương trong các môi trường này mà vẫn duy trì được cấu trúc ban đầu. Hydrogel cũng có khả năng ứng đáp với nhiều kích thích vật lý, hoá học khác nhau, đặc biệt là khả năng ứng đáp theo nhiệt độ môi trường, nên nó trở thành vật liệu tiềm năng để phát triển các chất mang trong công nghệ tế bào, các hệ vận chuyển thuốc tự điều chỉnh, các thiết bị cấy ghép trong đó đứng ở vị trí hàng đầu trong nghiên cứu là các hệ vận chuyển thuốc trên cơ sở hydrogel. 2. Mục tiêu của luận án -Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM: Nghiên cứu quá trình trùng hợp NIPAM, tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel PNIPAM. - Tổng hợp và nghiên cứu một số hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM: hydrogel NIPAM-co-AM, NIPAM-co-HEMA, NIPAM-co-MA và NIPAM-co-HEMA-co-AM 3. Những điểm mới của luận án Nghiên cứu tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM với AM, HEMA và AM nhằm nghiên cứu các hệ hydrogel có đặc tính nhạy nhiệt, pH khác nhau đồng thời tìm kiếm một hệ hydrogel nhạy nhiệt kép có khả năng giữ và nhả dược chất có khả năng ứng dụng. 4. Cấu trúc của luận án Luận án gồm các phần chính sau: - Đặt vẫn đề : 2 trang - Phần kết quả tháo luận: 55 trang - Phần tổng quan: 43 trang - kết luận: 2 trang - Phần thực nghiệm: 13 trang B. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƢƠNG I – TỔNG QUAN CHƢƠNG II – THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị nghiên cứu - Nguyên liệu hóa chất: Các monome tinh khiết NIPAM, AM, HEMA và MA. Chất xúc tác: APS, TEMED và chất tạo lưới MBA. 2 Paracetamol tinh khiết được cung cấp bởi Phòng Hoá lý 2, Viện Kiểm nghiệm thuốc Trung ương, độ tinh khiết đạt 99,5%. - Thiết bị sử dụng: Tủ sấy chân không 101-1A (Đức) Quang phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR IMPACT Nicolet 401 Thiết bị phân tích nguyên tố Perkin Elmer Instruments Thiết bị UV- 2450 Shimadzu Hệ thiết bị phân tích nhiệt Shimadzu - Nhật Bản Kính hiển vi điện tử quét SEM FESEM Hitachi S4800 (Singapore Thiết bị đông khô chân không Christ Beta 1-8 LD plus. Thiết bị sắc ký gel thấm (GPC) Shimadzu Class-VP V6.14 SP1. Thiết bị thử nghiệm đa năng LLOYD LR5K (Anh). pH meter (Đức). 2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm - Tổng hợp các polyme, copolyme và hydrogel Các quá trình trùng hợp, đồng trùng hợp để tổng hợp polyme, copolyme và hydrogel đều được thực hiện trong ống thuỷ tinh hình trụ có được kính trong 15mm. Monome, chất khơi mào, chất tạo lưới (khâu mạch) được đưa vào ống nghiệm cùng với nước cất. Thể tích dung dịch trong ống nghiệm cố định là 25ml. Sau khi sục khí N 2 trong 15 phút, ống thuỷ tinh được nút kín và hỗn hợp được đưa đến nhiệt độ phản ứng bằng cách ngâm trong bể điều nhiệt. Kết thúc phản ứng, hỗn hợp sản phẩm được tinh chế bằng phương pháp kết tủa trong dung môi tương ứng cho từng loại sản phẩm. - Xác định thành phần copolyme bằng phương pháp phân tích nguyên tố Hàm lượng đơn vị NIPAM trong các copolyme được tính theo công thức: Copolyme NIPAM-AM: 3 C N N x C% N% N% NIPAM(%mol) M M M xy        Copolyme NIPAM-HEMA: 100 NIPAM N N N HEMA %N M M %N %N NIPAM(%mol) M M M         Copolyme NIPAM-MA: 100 NIPAM N N N MA %N M M %N %N NIPAM(%mol) M M M         Trong đó M C , M H , M N , và M O tương ứng là khối lượng mol của cacbon, hydro, nito và oxi; C%, H%, N%, và O% tương ứng là phần trăm khối lượng của cacbon, hydro, nito và oxi thu được từ kết quả phân tích nguyên tố - Hằng số đồng trùng hợp của các monome được xác định theo phương pháp Kelen-Tudos - Mức độ trương của các mẫu hydrogel được xác định bằng phương pháp trọng lượng. - Quá trình thuận nghịch nhiệt Quá trình thuận nghịch nhiệt được xác định bằng cách các mẫu gel được để trương trong nước cất ở nhiệt độ 20 o C sau đó gel trương được chuyển vào nước cất ở 50 o C để thực hiện quá trình nhả trương. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để đánh giá khả năng thuận nghịch nhiệt của hydrogel. 3 - Quá trình thuận nghịch pH Quá trình thuận nghịch pH được xác định bằng cách: các mẫu gel được nhả trương trong môi trường có giá trị pH = 7 sau đó gel trương được chuyển vào môi trương có giá trị pH = 4 để thực hiện quá trình trương. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để đánh giá khả năng thuận nghịch pH của hydrogel. - Xác định khả năng kích ứng da của hydrogel Khả năng kích ứng da của hydrogel được xác định theo tiêu chuẩn ISO 10993-10 thực hiện tại Viện kiểm nghiệm thuốc trung ương. - Xác định giá trị LCST Giá trị LCST các polyme, copolyme và của hydrogel được xác định bằng phương pháp đo độ đục và nhiệt vi sai quét (DSC): Độ đục của dung dịch các polyme, copolyme được xác định trên thiết bị UV – 2450 được gia nhiệt từ 20 o C – 50 o C với tốc độ ra nhiệt 0,1 o C/phút, nhiệt độ LCST được xác định khi độ truyền qua mẫu giảm xuống 10% so với mẫu so sánh. Nhiệt độ LCST của các hydrogel sau khi đã đạt trạng thái trương cân bằng trong nước được xác định thông qua pic thu nhiệt trên giản đồ DSC khi gia nhiệt từ 25 – 55 o C với tốc độ gia nhiệt là 0,5 o C/phút. - Chuẩn bị mẫu hydrogel mang thuốc paracetamol Chuẩn bị dung dịch paracetamol bão hoà 5,012g/l. Dùng pipet lấy chính xác 10ml dung dịch bão hoà trên vào cốc thuỷ tinh 25ml, đưa vào cốc mẫu hydrogel khô, gel được trương bão hoà trong 4 giờ ở 20 o C. Dung dịch còn lại sau khi lấy mẫu hydrogel ra được định mức lại đến 10ml và đo UV-Vis nhằm xác định lượng thuốc còn lại trong dung dịch từ đó tính được hàm lượng thuốc được mang trong mẫu hydrogel. - Xác định hàm lượng paracetamol Lượng paracetamol được xác định bằng phương pháp hấp thụ UV qua việc xây dựng đường chuẩn tại bước sóng λ = 500nm. - Khối lượng phân tử trung bình và độ đa phân tán của polyme được xác đinh bằng phương pháp sắc ký thẩm thấu gel - Độ bền cơ học của hydrogel xác định theo tiêu chuẩn ASTM D638. - Độ chuyển hóa được xác định bằng phương pháp chuẩn độ nối đôi 2.3. Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-HEMA) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-MA) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel terpolyme (NIPAM-HEMA-AM) - Nghiên cứu quá trình mang và nhả thuốc của hydrogel CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM 3.1.1. Nghiên cứu quá trình trùng hợp NIPAM - Ảnh hưởng của hệ khơi mào tới quá trình trùng hợp NIPAM Trong nghiên cứu này, phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ 60 o C trong sự có mặt của chất khơi mào APS và ở 20 0 C trong sự có mặt của hệ khơi mào oxi hóa khử APS/TEMED (tỷ lệ 1 :1) Kết quả được trình bày trong bảng 3.1. Hệ xúc tác Thời gian kết thúc phản ứng 1 (phút) Độ chuyển hóa KLPT (g/mol) PDI 2 APS 150 93,6 14,5x10 3 1,84 APS/TEMED 240 96,5 15,6x10 3 1,36 1 Thời gian kết thúc phản ứng được tính khi độ chuyển hóa không thay đổi 4 2 Chỉ số đa phân tán của khối lượng phân tử của polyme APS là chất khơi mào nhiệt, để có thể khơi mào phản ứng trùng hợp, cần phải tiến hành phản ứng ở nhiệt độ tối thiểu là khoảng 60 o C để phân huỷ APS tạo gốc tự do dẫn tới tốc độ chuyển hóa trong suốt quá trình diễn ra phản ứng đều cao hơn so với sử dụng hệ xúc tác oxi hóa khử, trong khi đó đối với hệ khơi mào oxy hoá khử APS-TEMED, TEMED là chất xúc tiến giúp thực hiện phản ứng ở nhiệt độ rất thấp (thậm chí ở nhiệt độ <0 0 C) do vậy phản ứng sẽ diễn ra trong điều kiện êm dịu hơn, sản phẩm thu được có KLPT trung bình lớn, các đoạn mạch phân tử polyme có khối lượng phân tử đồng đều, tập trung hơn so với sử dụng xúc tác khơi mào bằng nhiệt (APS) - Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp NIPAM Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 5 đến 30 0 C, thì thời gian kết thúc phản ứng giảm dần, ngược lại chỉ số PDI lại tăng dần. Bên cạnh đó KLPT của sản phẩm tăng dần trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 20 o C sau đó giảm dần khi tiếp tục tăng nhiệt độ, điều này được giải thích là do khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ phản ứng, bên cạnh đó cũng làm tăng tốc độ phản ứng ngắt mạch và chuyển mạch. - Ảnh hưởng của nồng độ monome đến quá trình trùng hợp NIPAM Trong nghiên cứu này, phản ứng được tiến hành ở các nồng độ NIPAM khác nhau thay đổi từ 0,5 M - 0,9 M. Kết quả thu được ở bảng 3.2. Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ monome đến quá trình tổng hợp PNIPAM Nồng độ NIPA Độ chuyển hóa (%) KLPT (g/mol) PDI 0,5 92 15,0. 10 3 1,20 0,6 94,5 15,3. 10 3 1,31 0,7 97,5 15,6.10 3 1,36 0,8 97,8 15,7. 10 3 1,75 0,9 96,7 14,9. 10 3 1,96 Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng monome NIPAM từ 0,5 M – 0,8 M thì độ chuyển hóa cũng như KLPT, PDI tăng. Hiện tượng này được giải thích là do hàm lượng monome tăng sẽ làm tăng tốc độ của quá trình phản ứng chung cũng như từng quá trình riêng biệt (phát triển và ngắt mạch) dẫn tới độ chuyển hóa tăng, sản phẩm có KLPT trung bình tăng tuy nhiên sản phẩm lại chứa nhiều đoạn mạch có khối lượng khác nhau (thông qua việc tăng chỉ số PDI). Khi tiếp tục tăng nồng độ monome lên 0,9 M thì dẫn tới độ chuyển hóa cũng như KLPT trung bình đều giảm. Hiện tượng này là do phản ứng ngắt mạch chiếm ưu thế (kết quả còn thể hiện qua chỉ số PDI lớn chứng tỏ sản phẩm thu được có rất nhiều các đoạn mạch phân tử có khối lượng rất khác nhau). - Ảnh hưởng của nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST Xác định nhiệt độ LCST dung dịch polume với các nồng độ: 0,1 M, 0,3 M, 0,5 M, 0,7 M và 0,9 M trên cơ sở xác định điểm đục của các dung dịch polyme, kết quả đưa ra ở bảng 3.2. Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST [PNIPAM](mol/l) 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Nhiệt độ LCST ( o C) 33 32,7 32,5 32,3 32 Kết quả nhận được cho thấy khi tăng nồng độ dung dịch polyme sẽ làm giảm nhiệt độ LCST. Điều này được lý giải là do các tương tác kỵ nước diễn ra nhanh hơn khi nồng độ dung dịch tăng. - Phổ hồng ngoại của PNIPAM Phổ hồng ngoại của monome NIPAM và sản phẩm PNIPAM được trình bày trên hình 3.1. 5 Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của NIPAM(a) và PNIPAM (b) PNIPAM được tổng hợp ở điều kiện: [NIPAM]= 0,7M; [M]/[I]= 70; [TEMED]/[APS] = 1; nhiệt độ 20 o C, thời gian phản ứng 240 phút Quan sát thấy rằng trên phổ hồng ngoại của NIPAM xuất hiện các pic ở vị trí 3300-3284cm -1 đặc trưng cho dao động hoá trị của NH bậc 2, pic ở vị trí 1658cm -1 đặc trưng cho dao động của C=O, pic 1622cm -1 đặc trưng cho dao động của C=C và pic ở vị trí 1560cm -1 đặc trưng cho dao động biến dạng của NH bậc 2. Phổ IR của sản phẩm không còn xuất hiện pic đặc trưng cho liên kết C=C, ngoài ra thấy xuất hiện pic ở vị trí 3310cm -1 đặc trưng cho dao động liên kết của nhóm amit, pic ở vị trí 2968cm -1 và 2929cm -1 đặc trưng cho dao động bất đối xứng của CH 3 và CH 2 , pic 2874cm -1 đặc trưng cho dao động đối xứng của CH 3 . Ngoài ra còn xuất hiện 2 pic đặc trưng cho dao động của nhóm isopropyl ở 1368 và 1387cm -1 . Điều này chứng tỏ phản ứng trùng hợp đã xảy ra. 3.1.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel NIPAM - Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất của hydrogel NIPAM Phản ứng tổng hợp hydrogel NIPAM được thực hiện với nồng độ chất tạo lưới MBA lần lượt là 0,6; 0,9; 1,2 và 1,5% về số mol khi so với monome. Kết quả được trình bày trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất của hydrogel NIPAM Nồng độ MBA (%) Hàm lƣợng phần gel (%) LCST * ( o C) SW (g/g) 0,6 97,3 32 17,82 0,9 98,9 32,3 14,1 1,2 >99,5 32,2 13,5 1,5 >99,5 33,2 10,28 * Giá trị LCST của hydrogel được xác định bằng phương pháp DSC Các kết quả cho thấy sự có mặt của chất tạo lưới làm tăng hàm lượng phần gel trong polyme do chất tạo lưới MBA là một monome lưỡng chức (2 nhóm vinyl ở đầu mạch) có tác đụng khâu các mạch polyme PNIPAM tạo cấu trúc mạng lưới 3 chiều. Tăng hàm lượng chất tạo lưới làm tăng khả năng khâu mạch, khiến cho hàm lượng phần gel tăng. Khi nồng độ MBA đạt 1,2%, polyme được khâu mạch gần như hoàn toàn, với hàm lượng phần gel >99,5%. Tuy nhiên, tăng nồng độ MBA cũng làm tăng mật độ tạo lưới cũng như mức độ chặt chẽ của mạng lưới, làm giảm không gian bên trong gel, hạn chế khả năng mở rộng mạng lưới dẫn đến mức độ trương giảm. Việc tăng hàm lượng chất tạo lưới cũng ít có ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha (LCST) của hydrogel. Các kết quả xác định LCST của hydrogel NIPAM không có sự chênh lệch nhiều với kết quả xác định LCST của polyme PNIPAM. Quá trình trương và nhả trương của các mẫu hydrogel NIPAM có nồng độ chất tạo lưới lần lượt là 0,6%; 0,9%; 1,2%; 1,5% được biểu diễn trên hình 3.2 và 3.3. 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian (phút) Mức độ trương (g/g) MBA 0,6% MBA 0,9% MBA 1,2% MBA 1,5% Hình 3.2. Quá trình trương của hydrogel NIPAM có nồng độ chất tạo lưới khác nhau ở 20 0 C 0 20 40 60 80 100 0 90 180 270 360 450 Thời gian (phút) Khả năng nhả trương (%) MBA 0,6% MBA 0,9% MBA 1,2% MBA 1,5% Hình 3.3. Quá trình nhả trương của hydrogel NIPAM có nồng độ MBA khác nhau ở 50 o C Mặc dù khi nồng độ MBA tăng dần từ 0,6% đến 1,5% thì khả năng trương của hydrogel giảm dần nhưng hình dạng đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian và tỉ lệ trương không có sự khác biệt giữa các mẫu có hàm lượng MBA khác nhau. Trong 120 phút đầu tiên thì các hydrogel đã nhả hết 63-70% khối lượng nước hấp thụ có trong nó, với các hydrogel có nồng độ MBA cao thì khả năng nhả trương cũng giống như khả năng trương nở của chúng kém hơn các hydrogel có hàm lượng MBA thấp. Bảng 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng MBA đến độ bền cơ lý của hydrogel Hàm lƣợng MBA (% mol) so với monome Lực kéo đứt (N) Độ dãn dài khi đứt (%) 0,6 0,15 38,6 1,2 0,30 29,5 0,9 0,24 31,2 1,5 0,41 22,1 Kết quả độ bền cơ lý của các mẫu hydrogel với các hàm lượng MBA khác nhau cho thấy khi tăng hàm lượng chất tạo lưới thì sẽ làm tăng lực kéo đứt của vật liệu tuy nhiên độ dãn dài khi đứt là chỉ số liên quan đến tính đàn hồi thì lại giảm. Hiện tượng này là do mật độ tạo lưới giữa các phân tử polyme tăng làm tăng cấu trúc không gian của hydrogel tuy nhiên lại làm giảm khả năng chuyển động của các đại phân tử. - Ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly đến khả năng trương của hydrogel NIPAM Mẫu hydrogel được tổng hợp được khảo sát trương trong dung dịch NaCl có nồng độ tương ứng là: 0,1M; 0,07M; 0,04M và trong nước cất. Kết quả được biểu diễn trên hình 3.4. 0 3 6 9 12 15 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian (phút) Mức độ trương (g/g) Nước cất NaCl 0,04M NaCl 0,07M NaCl 0,1M Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaCl đến mức độ trương 7 Khi hydrogel trương xảy ra quá trình tương tác giữa phần mạch của hydrogel ưa nước và các phân tử nước hay chính là quá trình sonvat hoá mạch polyme. Khi trong dung dịch có thêm một lượng xác định NaCl là chất điện li mạnh, NaCl phân li tạo thành ion Na + và ion Cl - , hai ion này cũng tương tác với nước trong quá trình sonvat hóa, như vậy khi hydrogel trương nở trong môi trường dung dịch NaCl thì ngoài tương tác giữa NaCl là mạch hydrogel còn có quá trình sonvat hóa của các ion và của cả mạch polyme. - Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel NIPAM Đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel NIPAM thực hiện ở nhiệt độ 20 o C và 50 o C được biểu diễn trên hình 3.5. PNIPAM 10 11 12 13 14 0 5 10 15 20 25 30 35 Thời gian (giờ) Mức độ trương (g/g) Hình 3.5. Tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel theo thời gian khi thay đổi đột ngột nhiệt độ ở 20 o C và 50 o C Kết quả cho thấy hydrogel NIPAM có thể trương và nhả trương khi nhiệt độ được tuần hoàn theo chu kỳ trong khoảng nhiệt độ cao (50 0 C) và nhiệt độ thấp (25 0 C). Quan sát hình dạng đường cong thấy rằng hydrogel này có mức độ trương thay đổi thuận nghịch rất rõ trong khoảng 20 o C và 50 0 C và kéo dài khoảng 2,5 chu kỳ trước khi bắt đầu có sự suy giảm mức độ trương. - Hình thái học bề mặt Mẫu hydrogel ở trạng thái trương (20 o C) và trạng thái tách pha (37 o C) cũng được tiến hành chụp ảnh bề mặt được trình bày ở hình 3.6. Hydrogel tại 20 o C Hydrogel tại 37 o C Hình 3.6. Ảnh SEM bề mặt hydrogel ở 20 0 C và 37 o C Ảnh chụp cho thấy hydrogel tại 37 o C trải qua quá trình tách pha và co lại tạo thành cấu trúc đặc khít, các khung mạng lưới hoàn toàn biến mất. Để phân tích tính chất mao quản , mẫu hydrogel được tiến hành chụp ảnh SEM theo mặt cắt ngang được thể hiện ở hình 3.7. 8 Hình 3.7. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu hydrogel được tổng hợp ở 20 0 C, hàm lượng MBA chiếm 1,2% Quan sát ảnh SEM thấy rằng gel có cấu trúc kênh, mao quản hở, bởi vậy gel có tốc độ ứng đáp trương/nhả trương nhanh. * Tóm tắt kết quả mục 3.1: - Hệ khơi mào APS-TEMED (1:1) có thể thực hiện phản ứng trùng hợp NIPAM ở nhiệt độ thích hợp được sử dụng để tổng hợp polyme nhạy nhiệt là 20 o C, thời gian phản ứng là 240 phút, nồng độ monome là 0,7M. - Chất tạo lưới không ảnh hưởng đến nhiệt độ LCST của hydrogel và hydrogel được tiến hành chế tạo với hàm lượng chất tạo lưới phù hợp là 1,2% so với monome, nồng độ monome là 0,7M, thời gian phản ứng là 240 phút, nhiệt độ 20 o C. - Mức độ trương của hydrogel NIPAM giảm trong dung dịch NaCl. - Hydrogel có tính thuận nghịch nhiệt rõ rệt trong khoảng nhiệt độ 20 0 C và 50 0 C với khoảng thuận nghịch nhiệt tương đối lớn và kéo dài trong khoảng 2,5 chu kỳ trước khi có sự thay đổi. - Hydrogel có cấu trúc kênh, mao quản hở. 3.2. Tổng hợp một số hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM 3.2.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM) - Quá trình đồng trùng hợp NIPAM và AM Dựa vào dữ liệu kết quả phân tích thành phần copolyme thu được với việc sử dụng phương pháp Kelen-Tudos để xác định hằng số đồng trùng hợp r 1 , r 2 tương ứng của NIPAM và AM. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η vào ξ trong phương trình Kelen-Tudos được biểu diễn trên hình 3.8. y = 1.0802x - 0.6486 R 2 = 0.9813 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ξ η Hình 3.8. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η theo ξ của hệ NIPAM-AM Ngoại suy từ phương trình K-T ta được: với  = 0  r AM = 1,02 với  = 1  r NIPAM = 0,43 Kết quả thu được cho thấy các monome AM có khả năng phản ứng với nhau lớn hơn là với monome NIPAM, trong khi đó các monome NIPAM lại có xu hướng kết hợp với monome AM nhiều hơn là kết hợp với nhau dẫn tới tính luân phiên trong mạch đại phân tử có tính đồng nhất không cao (r AM . r NIPAM ≈0,44). [...]... (NIPAMHEMA-MA) Tóm tắt kết quả mục 3.2.4: - Đã tiến hành tổng hợp hydrogel vừa có tính nhạy nhiệt vừa có tính nhạy pH trên cơ sở NIPAM, HEMA và MA - Hydrogel tổng hợp có nhiệt độ LCST là 37,1oC phù hợp với nhiệt độ cơ thể người với tỷ lệ phù hợp theo tỷ lệ NIPAM/HEMA=75/25 và MA so với NIPAM là 2% - Hydrogel có tính nhạy nhiệt và pH rõ ràng - Bề mặt cắt của hydrogel( NIPAM-co-HEMA-co-MA) có cấu trúc mao quản... hành tổng hợp hydrogel có tính chất vừa nhạy nhiệt, nhạy pH và có khả năng tương hợp với các tế bào trong cơ thể sẽ được tiến hành, khảo sat các tính chất trên cơ sở NIPAM, HEMA và MA Để tiến hành chế tạo hydrogel nhạy nhiệt tác giả sẽ tiến hành tổng hợp hydrogel theo tỷ lệ NIPAM/HEMA = 75/25 (việc lựa chọn này dựa trên khả năng tương hợp với các tế bào của HEMA và ở tỷ lệ này LCST = 36,7oC gần nhiệt. .. khả năng tương hợp sinh học cho các hydrogel nhạy nhiệt, hydrogel (NIPAM-co-HEMA) được tổng hợp và khảo sát tính chất - Động học quá trình đồng trùng hợp NIPAM và HEMA Tỷ lệ thành phần của các hỗn hợp monome cũng như thành phần của copolyme sản phẩm được tổng kết trong bảng 3.5 Bảng 3.5 Thành phần của NIPAM và HEMA trong hỗn hợp đầu vào và trong copolyme Thành phần nguyên tố trong copolyme (%) Tỷ lệ... trương của hydrogel thay đổi rõ rệt theo pH - Tính chất cơ học của hydrogel suy giảm hơn so với hydrogel (NIPAM) 17 - Hydrogel có cấu trúc xốp mao quản với đường kính lớn - Hydrogel cũng có tính chất thuận nghịch nhiệt nhưng thấp hơn so với các hydrogel đã được nghiên cứu ở trên 3.2.4 Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của terpolyme... đứt và độ dãn dài khi đứt) của hydrogel - Chu kỳ thuận nghịch nhiệt của hydrogel lớn hơn so với hydrogel( NIPAM) và hydrogel (NIPAM-co-AM) 3.2.3 Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-MA) - Động học quá trình đồng trùng hợp NIPAM và MA Dựa vào dữ liệu kết quả phân tích thành phần copolyme và sử dụng phương pháp KelenTudos để xác định hằng số đồng trùng hợp r1, r2 tương ứng của NIPAM... của hydrogel - Hydrogel (NIPAM-co-AM) có thay đổi mức độ trương theo pH tuy nhiên là không đáng kể - Khoảng thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-AM) lớn hơn so với hydrogel (NIPAM) - Việc đưa thêm AM vào thành phần hydrogel làm tăng lực kéo đứt nhưng lại làm giảm độ dãn dài khi đứt 3.2.2 Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-HEMA) PHEMA là một vật liệu có khả năng tương hợp sinh... chất của hydrogel cho thấy: - Hydrogel (NIPAM-AM) có tính luân phiên trong sản phẩm trùng hợp không cao - Copolyme (HEMA – NIPAM) có độ luân phiên tốt, cấu trúc đồng nhất hơn và đặc tính cơ lý được cải thiện - Copolyme (MA – NIPAM) có độ luân phiên tốt, cấu trúc xốp lớn hơn PNIPAM và độ bền cơ lý thấp 4 Đã nghiên cứu tổng hợp hệ hydrogel (NIPAM-co-HEMA-co-MA) đồng thời có tính nhạy nhiệt và nhạy pH,... của hydrogel thu được tăng lên nhưng độ dốc của đồ thị đường trạng thái trương thì lại giảm đi do AM là một polyme ưa nước điển hình nên việc có mặt trong thành phần copolyme sẽ làm tăng độ trương nhưng lại làm giảm tính nhạy nhiệt của hydrogel Chính vì vậy, khi tổng hợp hydrogel (NIPAM-co-AM), tỷ lệ mol AM được lựa chọn thường . (Đức). 2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm - Tổng hợp các polyme, copolyme và hydrogel Các quá trình trùng hợp, đồng trùng hợp để tổng hợp polyme, copolyme và hydrogel đều được thực hiện trong ống. cứu tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM với AM, HEMA và AM nhằm nghiên cứu các hệ hydrogel có đặc tính nhạy nhiệt, pH khác nhau đồng thời tìm kiếm một hệ hydrogel nhạy nhiệt. nghiên cứu - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-HEMA)