Vật liệu gel ưa nước nguồn gốc poly(Nisopropylacrylamide) (PNIPAM) là polyme nhạy nhiệt điển hình được tổng hợp từ (Nisopropylacrylamide) (IPA) bằng cách chiếu xạ các dung dịch monome trong môi trường nước loại ion. Hiệu suất của phản ứng polyme hóa bức xạ và các đặc tính phân tử của polyme hình thành đã được khảo sát theo thành phần dung môi, liều chiếu và điều kiện chiếu xạ. Trọng lượng phân tử trung bình khối của PNIPAM tăng ở dải liều thấp và giảm xuống khi liều chiếu tăng cao trên 30 kGy, trong khi trọng lượng phân tử trung bình số của chúng gần như không phụ thuộc vào liều chiếu. Các đặc tính cấu trúc của PNIPAM đã được phân tích thông qua phổ cộng hưởng từ proton (1HNMR) và phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FTIR. Tính nhạy nhiệt của PNIPAM cũng được khảo sát và kết quả chỉ ra nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp (LCST) của nó vào khoảng 31.5C.
1 TỔNG HỢP CÁC GEL ƯA NƯỚC (HYDROGEL) TỪ DUNG DỊCH (N-ISOPROPYLACRYLAMIDE) BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHIẾU XẠ GAMMA HOÀNG ĐĂNG SÁNG, TRẦN MINH QUỲNH, PHẠM DUY DƯỠNG, NGUYỄN VĂN BÍNH, PHẠM QUANG HIẾU, HOÀNG PHƯƠNG THẢO Phòng Nghiên Cứu CNBX- TT Chiếu xạ Hà Nội, Minh Khai, Từ Liêm, Hà Nội. Tóm tắt: Vật liệu gel ưa nước nguồn gốc poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) là polyme nhạy nhiệt điển hình được tổng hợp từ (N-isopropylacrylamide) (IPA) bằng cách chiếu xạ các dung dịch monome trong môi trường nước loại ion. Hiệu suất của phản ứng polyme hóa bức xạ và các đặc tính phân tử của polyme hình thành đã được khảo sát theo thành phần dung môi, liều chiếu và điều kiện chiếu xạ. Trọng lượng phân tử trung bình khối của PNIPAM tăng ở dải liều thấp và giảm xuống khi liều chiếu tăng cao trên 30 kGy, trong khi trọng lượng phân tử trung bình số của chúng gần như không phụ thuộc vào liều chiếu. Các đặc tính cấu trúc của PNIPAM đã được phân tích thông qua phổ cộng hưởng từ proton ( 1 H-NMR) và phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (FT-IR. Tính nhạy nhiệt của PNIPAM cũng được khảo sát và kết quả chỉ ra nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp (LCST) của nó vào khoảng 31.5C. Từ khóa: poly(N-isopropylacrylamide), hydrogel, polymer nhạy nhiệt. I. MỞ ĐẦU Các hydrogel nguồn gốc PNIPAM và dẫn xuất đã được nghiên cứu rộng rãi và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ công nghiệp dệt, xử lý môi trường đến vật liệu mang thuốc nhả chậm do bản chất tương hợp sinh học và khả năng đáp ứng lại với các kích thích môi trường bên ngoài như nhiệt độ, pH, cường lực ion PNIPAM cũng như các đồng polyme của nó có thể được tổng hợp từ N-isopropylacrylamide (NIPA) thông qua các quá trình trùng hợp hóa học [1-3]. Tính chất của chúng có thể dễ dàng được sửa đổi bằng cách điều chỉnh điều kiện trùng hợp, hàm lượng các chất xúc tác, chất khơi mào, tác nhân chuyển mạch polyme, chất điều chỉnh tốc độ phản ứng trùng hợp cũng như thành phần và tỷ lệ các monome được đưa vào. [2,7] Là một polyme ưa nước điển hình, PNIPAM có khả năng hấp thụ một lượng nước nhất định để tạo thành vật liệu gel ưa nước trong những điều kiện nhất định. Về cấu trúc hóa học, phân tử PNIPAM chứa cả các nhóm ưa nước và kỵ nước. Trong môi trường chứa nước, các phần ưa nước và kỵ nước này có thể tự sắp xếp để đạt được hình dạng khác nhau theo sự thay đổi nhiệt độ dung dịch. Khi nhiệt độ dung dịch tăng cao hơn nhiệt độ dung dịch tới hạn cận dưới (Low critical solution temperature – LCST) của nó, chuỗi polyme chuyển từ dạng cuộn xoắn thành dạng cầu và bị kết tủa ở nhiệt độ cao. Mặc dù có khả năng ứng dụng rất lớn, song nghiên cứu về gel ưa nước này vẫn chưa được quan tâm đúng mức ở nước ta. Việc tổng hợp PNIPAM mới được quan tâm tại một số cơ sở nghiên cứu chuyên ngành như Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Hóa học và Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam[8]. Nhằm mở rộng ứng dụng công nghệ bức xạ trong những năm tới, chúng tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu: “Tổng hợp các hydrogel nhạy nhiệt từ dung dịch monome N-isopropylacrylamide bằng phương pháp chiếu xạ gamma”. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tạo được các loại hydrogel khác nhau từ dung dịch lỏng của NIPA monome có nồng độ khác nhau bằng kỹ thuật polyme hóa và khâu mạch bức xạ. Ảnh hưởng của nồng độ 2 monome ban đầu, liều chiếu xạ đến hiệu suất polyme hóa, mức tạo gel đã được khảo sát. Liều chiếu bắt đầu tạo gel, độ trương nước và khả năng đáp ứng nhiệt độ của PNIPAM hydrogel cũng được xác định. II. THỰC NGHIỆM 1. Hóa chất và dụng cụ - N-isoprpylacrylamide 98% (NIPA), Hãng sản xuất Wako Pure Chemical Inc., Nhật Bản - N, N, methylenbisacrylamide, Hãng sản xuất Wako Pure Chemical Inc., Nhật Bản - Khí nitrogen tinh khiết, Công ty hóa chất Đức Giang, Việt Nam - Lưới thép không gỉ lọc gel SUS 0.028 325 mesh,Yao Kanaami Co., Ltd. Nhật Bản. - Tủ sấy chân không Hãng sản xuất Shel Lab, Hoa Kỳ - Bơm chân không KNF, Hãng sản xuất Labofort, Germany 2. Chuẩn bị các mẫu dung dịch monome trong nước và xử lý chiếu xạ Monome NIPA có nồng độ từ 5 đến 20 %. 30 mL dung dịch được cho vào bình chứa mẫu dung tích 100 mL. Các bình mẫu được sục khí nito loại bỏ tối đa lượng oxy không khí. Các dung dịch monome được chia thành các lô chiếu xạ với các liều chiếu khác nhau gồm 50, 100, 150, 200, 300, 500, 1000, 5000, 10000, 20000, 30000, 40000 và 50000 Gy và chiếu xạ ở điều kiện môi trường. Sau khi chiếu xạ mẫu được xác định hiệu suất polyme hóa. 3. Tính toán hiệu suất trùng hợp bức xạ và mức tạo gel Hiệu suất trùng hợp được tính theo hàm lượng polyme tạo thành sau khi chiếu xạ được tính theo công thức: 100(%) 0 W W Conversion d (1) trong đó W d là trọng lượng mẫu khô sau chiếu xạ và W 0 là lượng monome ban đầu Phần không tan sau khi sấy khô được ngâm vào các cốc nước loại ion dung tích 200 mL ở 60C để chiết hết lượng polyme không khâu mạch, tính mức tạo gel theo công thức: 100(%) 0 W W GGelation g (2) trong đó W d và W g tương ứng là trọng lượng gel khô trước và sau khi chiết loại bỏ phần polyme không khâu mạch từ polyme khô đạt được ở trên 4. Xác định liều chiếu bắt đầu tạo gel Trong nghiên cứu này, các dung dịch NIPA 10% đã được chiếu các liều khác nhau từ 0.05 đến 5 kGy. Sau quá trình trùng hợp bức xạ gel được loại khỏi lọ đựng mẫu và ngâm trong nước cất đến 3 tuần, thay nước hàng tuần để loại bỏ chất tan. Gel được sấy khô đến trọng lượng không đổi và tỷ lệ sol-gel được tính thông qua lượng gel thu được. Liều chiếu tạo gel, hay là liều bắt đầu xuất hiện gel (D g ) được xác định bằng cách dựng đồ thì phụ thuộc của lượng chất tan theo liều chiếu trên các trục log-log, và sau đó ngoại suy đến giá trị 100% hòa tan theo đường tuyến tính.[9] 3 5. Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ monome và liều chiếu đến khả năng tạo hydrogel Lượng gel tạo thành trong các dung dịch monome có nồng độ khác nhau, chiếu xạ liều khác nhau đã được xác định. Kết quả là giá trị trung bình đạt được từ 3 mẫu chiếu xạ và ảnh hưởng của các thông số này lên khả năng tạo hydrogel PNIPAM được phân tích. 6. Xác định độ trương nước của hydrogel Các mẫu gel khô kích thước 5 5 2 mm đã được ngâm vào trong các cốc thủy tinh dung tích 200 mL chứa 100 mL nước cất. Các cốc chứa gel được đặt vào trong bình ổn nhiệt tại 25 0,2C. Sau khoảng 48 giờ khi đạt mức trương nước cân bằng, các mẫu gel được lấy ra thấm nước để loại bở lượng nước dư thừa trên bề mặt và xác định trọng lượng gel trương . Tỷ lệ trương nước được tính theo công thức: Swelling ratio 100)( g gs W WW time (3) Trong đó W s và W g là trọng lượng của gel sau khi trương nước và trọng lượng gel khô của mẫu tương ứng. 7. Đánh giá tính nhạy nhiệt của hydrogel Mức độ trương nước của hydrogel khâu mạch bức xạ tại các nhiệt độ khác nhau đã được khảo sát nhằm xác định LCST của nó. Các loại hydrogel được ngâm trong nước và nhiệt độ dung dịch được thay đổi từ nhiệt độ phòng đến 45C, với bước chạy là 0,5C. Khi nhiệt độ tăng lên, các liên kết hydro sẽ bị suy yếu làm giảm lớp nước xung quanh các nhóm kỵ nước, làm tăng khả năng tương tác giữa các nhóm kỵ nước. Đến một nhiệt độ nhất định, tương tác kỵ nước này sẽ chiếm ưu thế, dẫn đến phá vỡ cấu trúc gel xuất hiện chuyển pha từ ưa nước sang kỵ nước. Đây chính là nhiệt độ LCST của hydrogel.[10] III. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch monome tới hiệu suất trùng hợp bức xạ và mức tạo gel của PNIPAM trong môi trường chứa nước Hình 1. Phổ FT-IR của PNIPAM 500 3500 1000 1500 2000 2500 3000 - 5 0 5 10 15 20 25 30 35 500 3500 % Transmittance 4000 Wavenumbers (cm - 1 ) 1000 1500 2000 2500 3000 - 5 0 5 10 15 20 25 30 35 662.4 1097.0 1130.9 1172.8 1331.8 1456.8 1544.8 1651.5 2876.4 2934.9 3076.4 3300.9 662.4 1097.0 1130.9 1172.8 1331.8 1456.8 1544.8 1651.5 2876.4 2934.9 3076.4 3300.9 662.4 1097.0 1130.9 1172.8 1331.8 1456.8 1544.8 1651.5 2876.4 2934.9 3076.4 3300.9 a ) 340 4 4 Kết quả tổng hợp PNIPAM được xác nhận bằng phổ hồng ngoại. Phổ FT-IR của mẫu gel điển hình đạt được khi chiếu xạ dung dịch PNIPAM 10% ở liều 10 kGy được trình bày trên hình 1. Trên phổ hồng ngoại, các đỉnh trong vùng 3300-3400 cm -1 là do dao động giãn của các nhóm NH và OH của polyme. Các đỉnh phổ xuất hiện tại 1651 và 1545 cm -1 đặc trưng cho các dao động giãn của nhóm carbonyl C=O và amide bậc II của nhóm NH trong mạch phân tử PNIPAM. Thêm vào đó, một đỉnh khác ở 1456.8 cm -1 , đặc trưng cho amide bậc III, ứng với sự giãn của liên kết C-N. Và đỉnh 1381.8 cm -1 hình thành do biến dạng –CH 3 trong nhóm isopropyl. Như vậy, PNIPAM đã được hình thành sau quá trình chiếu xạ. Hiệu suất tạo gel phụ thuộc vào nồng độ monome ban đầu và liều chiếu, các hydrogel khác nhau có thể tổng hợp được như quan sát thấy trên hình 2. Hiệu suất quá trình trùng hợp và khâu mạch bức xạ được tính toán dựa trên lượng polyme và gel hình thành sau quá trình lọc bỏ monome không tan và chiết polyme khỏi gel tạo thành sau khi chiếu xạ liều 10 kGy. Bảng 1. Ảnh hưởng của nồng độ monome ban đầu đến hiệu suất trùng hợp và mức tạo gel Kết quả bảng 1 chỉ ra rằng hiệu suất trùng hợp bức xạ và mức tạo gel tăng theo nồng độ dung dịch monome ban đầu. Tại liều chiếu này, tốc độ quá trình trùng hợp dường như bão hòa khi nồng độ dung môi đạt trên 10%, tuy nhiên tỷ lệ gel tiếp tục tăng. Điều này có thể là do khi số lượng các mạch phân tử polyme tăng lên thì khả năng tái kết hợp các gốc tự do của PNIPAM hình thành trong quá trình chiếu xạ cũng tăng lên theo, kết quả là mức độ tạo hydrogel tăng theo nồng độ. 3.2. Ảnh hưởng của liều chiếu đến mức độ khâu mạch tạo hydrogel PNIPAM Mức tạo gel từ các dung dịch monome có cùng nồng độ 10% sau khi chiếu xạ dải liều từ 5 đến 50 kGy. Kết quả được trình bày trên bảng 2. Bảng 2. Ảnh hưởng của liều chiếu đến một số đặc tính của PNIPAM tổng hợp Liều chiếu (kGy) Hiệu suất chuyến hóa polyme (%) Tỷ lệ hydrogel (%) đạt được 5 63.74 74,26 10 87.43 95.26 20 91,91 95,80 30 92,85 95,75 Nồng độ dung dịch monome ban đầu (%) trong nước Hiệu suất trùng hợp bức xạ (%) Tỷ lệ tạo hydrogel (%) 5 74.57 92.29 10 87.43 95.26 15 87.58 96.24 20 86.10 96.97 Hình 2. Các hydrogel t ạ o đư ợ c t ừ các dung d ị ch monome n ồ ng đ ộ khác nhau 5 40 89.22 96,91 50 88,47 97,46 Có thể thấy rằng hiêu suất trùng hợp bức xạ tăng theo liều chiếu lên đến 30 kGy và sau đó giảm chút ít. Kết quả thu được cũng chỉ ra rằng, hiệu suất trùng hợp bức xạ ở liều chiếu trên 10 kGy là rất cao. Mức độ khâu mạch tạo hydrogel tăng rất nhanh ở liều dưới 10 kGy và sau đó tăng không đáng kể. Điều này là do các mạch polyme tổng hợp được đã liên kết vào mạng khâu mạch, và khi liều chiếu tiếp tục tăng lên, số điểm khâu mạch có thể tăng lên, làm cho cấu trúc mạng lưới trở nên chặt chẽ hơn, song một số rất ít các mạch polyme đang phát triển vẫn có thể chưa liên kết vào mạng. 3.3. Xác đinh liều chiếu xạ tạo gel Để xác định liều bắt đầu tạo gel, các dung dịch NIPA 10% được chiếu xạ trong dải liều thấp từ 50 đến 500 Gy và dải liều cao từ 1 đến 50 kGy. Hình 3. Mối quan hệ logarithm giữa thành phân hòa tan theo liều chiếu đối với dung dịch NIPA 10% Kết quả ngoại suy từ hình 3 cho biết liều bắt đầu xuất hiện gel trong dung dịch NIPA 10% chiếu xạ là 77 Gy. Liều tạo gel này cao hơn một chút so với liều tạo gel được Nagaoka và cộng sự xác định khi tổng hợp PNIPAM hydrogel bằng bức xạ gamma [6]. Nghiên cứu trùng hợp và khâu mạch PNIPAM bằng bức xạ gamma trong trạng thái rắn và dung dịch, Ortega và CS đã chỉ ra liều chiếu xạ tạo gel là 180 và 730 Gy tương ứng với mẫu chiếu xạ có và không bổ sung chất khâu mạch. Có sự khác biệt này là do họ sử dụng khí argon để tạo môi trường phi oxy trong khi các nghiên cứu của chúng tôi sử dụng khí nito 3.4. Độ trương nước của gel khâu mạch Hình 4 biểu diễn độ trương nước của các hydrogel khâu mạch theo nhiệt độ. Gel tạo được từ dung dịch monome 5% có độ trương nước lớn song không thật ổn định, trong khi các gel tạo được từ dung dịch monome đặc có độ trương nước thấp. Vì vậy, chúng tôi chỉ khảo sát sự thay đổi mức trương nước của hydrogel tạo ra từ dung dịch monome 10%. 77 Gy 6 Hình 4. Mức độ trương nước của các PNIPAM hydrogel khâu mạch đạt được từ dung dịch NIPA 10% chiếu xạ liều khác nhau theo nhiệt độ từ 25 đến 45C Có thể thấy rằng, tỷ lệ trương gần như không thay đổi ở dải nhiệt độ thấp, sau đó giảm rất nhanh khi nhiệt độ tăng từ 27-37C, tùy theo liều chiếu và gần như giữ nguyên không thay đổi khi nhiệt độ tiếp tục tăng cao đến 45C. Trong khoảng nhiệt độ thấp, gel tạo được từ mẫu chiếu xạ liều 10 kGy không thật sự ổn định, do cường lực khá yếu của nó. Đối với hydrogel đạt được khi chiếu xạ liều 20 kGy, độ trương nước gần như không thay đổi trong khoảng nhiệt độ từ 20-30C, sau đó mức trương nước bắt đầu giảm xuống và giảm rất nhanh khi nhiệt độ tiếp tục tăng từ 31 đến 34C, tốc độ giảm chậm lại và gần như không thay đổi khi nhiệt độ vượt quá 37C. Kết quả này cũng chỉ ra mức trương nước của gel giảm khi liều chiếu tăng lên trong khoảng nhiệt độ thấp, nhưng ở nhiệt độ cao sự khác biệt này là không đáng kể. 3.5. Tính nhạy nhiệt của PNIPAM hydrogel đạt được Từ khảo sát về mức độ trương của các hydrogel theo nhiệt độ ở trên, có thể nhận thấy các hydrogel trải qua một sự chuyển pha rõ rệt ở khoảng nhiệt độ 31-33C. Nhiệt chuyển pha của hydrogel dao động quanh 31,5 đến 33C đối với các hydrogel tạo được từ dung dịch NIPA chiếu xạ liều dưới 30 kGy. Đối với các hydrogel đạt được khi chiếu xạ cao hơn, nhiệt chuyển pha dịch chuyển về dải nhiệt độ thấp hơn một chút và giảm khi liều chiếu tăng lên nhiệt chuyển pha sẽ nằm trong khoảng từ 31-32,5C. Giá trị này cũng phù hợp với giá trị nhiệt tới hạn dung dịch cận dưới của PNIPAM hydrogel được nhiều tác giả công bố.[2;5] IV. KẾT LUẬN Polyme hóa bức xạ đã được áp dụng thành công để tổng hợp PNIPAM mà không cần sử dụng bất kỳ chất phụ gia độc hại nào. Mức độ polyme hóa và tích chất phân tử của PNIPAM phụ thuộc vào dung môi sử dụng và có thể kiểm sóat một cách dể dàng bằng cách thay đổi điều kiện chiếu xạ. Liều chiếu xạ 30 kGy thu được hiệu suất chuyển hóa polyme cao nhất và tại đó, trọng lượng phân tử của polyme đạt được cũng cao nhất. Các phân tích phồ cộng hưởng từ proton và phổ hồng ngoại cho thấy chuỗi PNIPAM hình thành không khác biệt so với phương pháp tổng hợp hóa học thông thường. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra PNIPAM tổng hợp bằng kỹ thuật polyme hóa bức xạ là một polyme nhạy nhiệt và tương đối bền nhiệt. Nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp của nó vào khoảng 31,5C. Kết quả này có thể phát triển 0 5 10 15 20 25 30 35 40 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 T e mpe rature ( o C ) Swelling ratio (times) 10 kGy 20 kGy 30 kGy 40 kGy 50 kGy 7 phương pháp polyme hóa bức xạ để tổng hợp PNIPAM và các dẫn xuất ứng dụng trong y tế và dược phẩm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kim IS, Jeong YI, Cho CS, Kim SH. International Journal of Pharmaceutics 2000:211;1-8. [2] Chen G, Hoffman AS. Letters to Nature. Nature 1995:373;49-52. [3] Bhattacharyaa A, Misra BN. Progress Polymer Science 2004:29;767–814. [4] Kabanov VY. Radiation High Energy Chemistry 2000:34(4);203-211. [5] Kohori F, Sakai K, Aoyagi T, Yokoyama M, Sakurai Y, Okano T. J. Controlled Release 1998:55;87-98. [6] Nagaoka N, Safranj A, Yoshida M, Omichi H, Kubota H, Katakai R. Macromolecules 1993:26;7386-7388. [7] Gupta B, Muzyyan N, Saxena S, Grover N, Alam S. Radiation Physics and Chemistry 2008:77;42-48. [8] Trần Minh Quỳnh, Đặng Đức Nhận, Toshiaki Dobashi, Naotsugu Nagasawa. Tổng hợp poly(N- isopropylacrylamide) [PNIPAM] nhạy nhiệt bằng phương pháp chiếu xạ dung dịch N- isopropylacrylamide monome. Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ IX, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 914-918, 2011. [9] Chapiro A, Legris C. Eur Polym J 1989:25;305. [10] Ringsdorf H, Venzmer J, Winnik FM. Macromolecules 1991:24;1678 RADIATION POLYMERIZATION AND CROSSLINKING OF POLY(N-ISOPROPYLACRYLAMIDE) HYDROGELS AND THEIR PROPERTIES Abstract: Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), a typical thermosensitive polymer was prepared by the radiation induced polymerization from solutions of (N- isopropylacrylamide) disolved in different solvents in air and nitrogen. This process can applied to improve the application of the obtained PNIPAM because it reduces the use of chemical additives, which were usually contaminated the product. The degree of polymerization and the molecular properties of PNIPAM homopolymer were studied by radiation conditions. Average number molecular weight of PNIPAAm increased at low radiation dose and seemed to reduce at dose higher than 30 kGy. The PNIPAM sample showed thermosensitivity with the lower critical solution temperature (LCST) at around 31.5C, similar to the PNIPAM, synthesized by traditional chemical process. 1 H-NMR and FT-IR showed the characteristic peaks coresponding to the methyl and methine groups of PNIPAM chains. These results also indicated that PNIPAM has rather high thermo stability.