NGHIÊN CỨU KHÂU MẠCH CARBOXYMETHYL TINH BỘT BẰNG BỨC XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ NHẰM CHẾ TẠO HYDROGEL

Hydrogel carboxymethyl tinh bột (CMS) được chế tạo bằng phương pháp khâu mạch chiếu xạ chùm tia electron trên máy gia tốc chùm tia điện tử UERL1015S2, 10 MeV, 15 kW do Nga chế tạo. Quá trình khâu mạch CMS bằng bức xạ chùm tia điện tử được thực hiện như sau: (1) hòa tan CMS trong nước cất nồng độ tối ưu 35% ở trạng thái đặc sệt (dạng paste), cùng với chất nhạy hóa axít acrylic có nồng độ thay đổi từ 1% đến 5%; (2) hỗn hợp CMS trên được chiếu xạ tại các liều hấp thu 3,5 kGy; 7,0 kGy; 10,5 kGy và 14,0 kGy. Tính chất đặc trưng của hydrogel CMS được nghiên cứu như hàm lượng gel và độ trương của gel. Khả năng phân hủy sinh học của hydrogel CMS cũng được đánh giá bằng phân hủy enzym αamylaza 1,0% trong dung dịch đệm CH3COOHCH3COONa, pH = 45, nhiệt độ ủ 40°C. Kết quả cho thấy vật liệu hydrogel CMS phân hủy hơn 90% (ww) trong môi trường trên ở nồng độ enzym αamylaza 1,0%. Nghiên cứu này bước đầu định hướng ứng dụng của vật liệu hydrogel CMS vào mỹ phẩm cao cấp như mặt nạ dưỡng da, kem giữ ẩm da v.v..

NGHIÊN CỨU KHÂU MẠCH CARBOXYMETHYL TINH BỘT BẰNG BỨC XẠ CHÙM TIA ĐIỆN TỬ NHẰM CHẾ TẠO HYDROGEL NGUYỄN THÀNH ĐƯỢC, PHẠM THỊ THU HỒNG, ĐOÀN BÌNH Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ 202A, Đường 11, Phường Linh Xuân, Quận Thủ Đức, Tp. HCM Email: duoc153@gmail.com Tóm tắt: Hydrogel carboxymethyl tinh bột (CMS) được chế tạo bằng phương pháp khâu mạch chiếu xạ chùm tia electron trên máy gia tốc chùm tia điện tử UERL-10-15S2, 10 MeV, 15 kW do Nga chế tạo. Quá trình khâu mạch CMS bằng bức xạ chùm tia điện tử được thực hiện như sau: (1) hòa tan CMS trong nước cất nồng độ tối ưu 35% ở trạng thái đặc sệt (dạng paste), cùng với chất nhạy hóa axít acrylic có nồng độ thay đổi từ 1% đến 5%; (2) hỗn hợp CMS trên được chiếu xạ tại các liều hấp thu 3,5 kGy; 7,0 kGy; 10,5 kGy và 14,0 kGy. Tính chất đặc trưng của hydrogel CMS được nghiên cứu như hàm lượng gel và độ trương của gel. Khả năng phân hủy sinh học của hydrogel CMS cũng được đánh giá bằng phân hủy enzym α-amylaza 1,0% trong dung dịch đệm CH 3 COOH/CH 3 COONa, pH = 4-5, nhiệt độ ủ 40°C. Kết quả cho thấy vật liệu hydrogel CMS phân hủy hơn 90% (w/w) trong môi trường trên ở nồng độ enzym α-amylaza 1,0%. Nghiên cứu này bước đầu định hướng ứng dụng của vật liệu hydrogel CMS vào mỹ phẩm cao cấp như mặt nạ dưỡng da, kem giữ ẩm da v.v Từ khóa: bức xạ, chùm tia điện tử, CMS, hydrogel I. MỞ ĐẦU Hydrogel là sản phẩm của phản ứng trùng hợp từ các monome; hoặc ghép các monome lên tinh bột, xenlulo và một số polyme tổng hợp; hoặc copolyme hoặc khâu mạch các polyme. Hydrogel có cấu trúc mạng ba chiều (3D) với thuộc tính dễ hấp thu nước dẫn đến làm trương nở thể tích, nhưng không hòa tan trong môi trường nước. Hydrogel được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: chất giữ ẩm đất dùng trong nông nghiệp; sản phẩm keo dính, chất hút ẩm trong lĩnh vực công nghệ; màng gel trị bỏng, chất mang thuốc ứng dụng trong trị liệu y học; mặt nạ gel dưỡng da, túi độn trong lĩnh vực giải phẩu thẩm mỹ, chăm sóc sắc đẹp v.v Carboxymethyl tinh bột (CMS) là một trong các dẫn xuất của tinh bột - một trong số các polyme sinh học có khả năng tự phân hủy trong môi trường tự nhiên sau khi thải bỏ. CMS với tính chất đặc trưng tan tốt trong nước, tính hút ẩm, tính dính cao. Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel CMS đã đạt được rất nhiều thành tựu và kết quả khả quan: tác giả F. Yoshii cùng các cộng sự nghiên cứu khâu mạch bức xạ tia gamma tạo hydrogel CMS trong điều kiện nồng độ cao dạng paste không cần chất hỗ trợ [4, 5]; nhóm tác giả A. Hiroki nghiên cứu chế tạo hỗn hợp hydrogel CMS-CMC bằng phương pháp chiếu xạ gamma dùng làm vật liệu siêu hấp thụ nước [2]; nhóm tác giả H. H. Song đã nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel CMS bằng phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử không sử dụng chất hỗ trợ [6]…Cho đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào về việc chế tạo vật liệu hydrogel CMS với chất nhạy hóa hỗ trợ quá trình khâu mạch bức xạ. Bài báo tập trung nghiên cứu chiếu xạ hệ CMS/acrylat ở nồng độ cao 35 % bằng chùm tia điện tử để chế tạo hydrogel CMS với chất nhạy hóa axit acrylic hỗ trợ quá trình khâu mạch và giảm liều xạ hấp thụ. II. THỰC NGHIỆM 1. Nguyên vật liệu Sodium carboxymethyl tinh bột (DS = 0,85), Emsland Stärke, Đức; enzym α-amylaza, Himedia, Ấn Độ; axít acrylic (AAc), axít acetic (CH 3 COOH), natri acetate (CH 3 COONa), canxi clorua (CaCl 2 ), Trung Quốc; nước cất 2 lần. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Qui trình chế tạo hydrogel CMS Hệ CMS 35 %/AAc 1% (w/w): Cân 350g CMS cho vào cốc chứa sẵn 650 ml nước cất, khuấy hỗn hợp ở nhiệt độ phòng trong 1 - 2 giờ cho đến khi hỗn hợp đồng nhất, tiếp tục cho 9,5 ml AAc vào hỗn hợp và khuấy đều trong 1 giờ, sau đó đóng gói sản phẩm trong túi PE để ổn định trong 24 giờ và chiếu xạ trên máy gia tốc chùm tia điện tử (EB) UERL- 10- 15S2, Nga có công suất 15 kW, năng lượng 10 MeV và cường độ dòng 0,2 – 0,25 mA, tại nhiệt độ t = 25 0 C ở các liều hấp thụ 3,5 kGy; 7,0 kGy; 10,5 kGy và 14,0 kGy. Mẫu được sấy khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 70 0 C, nghiền thành bột có kích thước khoảng 300 mesh. Quy trình chuẩn bị tương tự đối với mẫu CMS 35% với nồng độ AAc 3% và 5%. 2.2. Xác định các đặc trưng hóa lý của hydrogel CMS 2.2.1. Xác định độ trương trong nước của vật liệu: Cân 0,5 g mẫu cho vào cốc thủy tinh có chứa 100 ml nước cất, để yên cho đến trương bão hòa khoảng 24 giờ, lọc qua lưới lọc, thấm sơ nước dư bề mặt bằng giấy thấm và cân. Độ trương nước được tính bằng khối lượng nước hấp thụ bão hòa trên 1g mẫu khô có thể biểu diễn (g/g). Độ trương = 1 12 m mm  Trong đó: m 2 : khối lượng mẫu sau khi trương, (g). m 1 : khối lượng khô của mẫu ban đầu, (g). 2.2.2. Xác định hàm lượng gel trong sản phẩm Cân 0,15 g cho vào bình cầu đã có sẵn 250 ml nước cất, sau đó cho chạy hệ thống Soxhlet trong 24 giờ, sau đó đem sấy khô ở nhiệt độ 70 0 C và cân mẫu sau khi trích Soxhlet. Hàm lượng gel = 100 1 2  m m Trong đó: m 1 : khối lượng khô của mẫu ban đầu, (g). m 2 : khối lượng mẫu khô sau khi trương, (g). 2.3. Xác định khả năng phân hủy sinh học của vật liệu trong môi trường enzym. Cân 25 mg mẫu cho vào ống nghiệm có sẵn 4 ml dung dịch đệm axetat có pH= 4,6 và 1ml dung dịch CaCl 2 0,1% và 1ml dung dịch enzyme -amylaza 0,1% rồi đặt trong bể ổn định nhiệt tại nhiệt độ t = 40 0 C, sau đó tiếp tục theo dõi liên tục trong 6 giờ, cách 1 giờ thì lấy mẫu lọc bằng giấy lọc rửa sạch vài lần bằng nước cất, mẫu sau khi đã lọc xong thì đem sấy khô ở nhiệt độ t = 70 0 C và cân đến trọng lượng không đổi. % M = 100 0 12   m mm Trong đó: M : Khối lượng mẫu còn lại, (g). m 0 : Khối lượng mẫu ban đầu, (g). m 1 : Khối lượng giấy lọc sau khi sấy khô, (g). m 2 : Khối lượng mẫu sau khi sấy khô, (g). III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 1. Đặc trưng hóa lý của hydrogel CMS 1.1. Hàm lượng gel của hydrogel CMS Bảng 1.1. Hàm lượng gel của hydrogel CMS tại các nồng độ AAc khác nhau theo dãi liều hấp thụ Phần trăm Liều AAc, (%) hấp thụ (kGy) 0 1 3 5 3,5 6,6  2,1 16,9  3,9 21,4  3,8 48,8  3,1 7,0 10,5  2,4 21,0  3,3 30,0  3,7 42,0  3,9 10,5 8,4  3,5 29,0  4,9 29,0  2,1 38,0  4,1 14,0 5,0  3,2 40,0  3,5 28,0  3,5 25,0  3,6 Hàm lượng gel của hydrogel CMS thay đổi theo liều hấp thụ tại các nồng độ AAc khác nhau được mô tả trong bảng 1.1 và hình 1.1. Nhận xét: Với kết quả thực nghiệm thu được, hàm lượng gel của mẫu CMS không có chất nhạy hóa AAc tăng và đạt cực đại tại liều xạ 7,0 kGy do khả năng quá trình khâu mạch giữa các mạch polyme CMS xảy ra tại điều kiện liều hấp thụ thấp hơn 7,0 kGy; sau đó hàm lượng gel giảm theo chiều tăng của liều hấp thụ vì khả năng quá trình cắt mạch polymer chiếm ưu thế làm giảm hàm lượng gel. Trong khi đó, đối với mẫu CMS có chất nhạy hóa axít acrylic, hàm lượng gel tăng theo nồng độ AAc vì AAc là chất nhạy hóa cao làm tăng khả năng hình thành gốc tự do thúc đẩy quá trình khâu mạch polyme CMS. Tại nồng độ AAc 1%, hàm lượng gel đạt giá trị cực đại 40% tại liều hấp thu 14,0 kGy và có khả năng tăng nếu tiếp tục khảo sát tại liều hấp thụ cao hơn, lúc này quá trình khâu mạch chiếm ưu thế. Tại nồng độ AAc 3%, hàm lượng gel đạt giá trị cực đại 30% tại liều hấp thụ 7,0 kGy và bão hòa trong khoảng liều xạ 7 – 14 kGy, lúc này quá trình khâu mạch vẫn chiếm ưu thế. Tại nồng độ AAc 5%, hàm lượng gel đạt giá trị cực đại 48,77% tại liều 3,5 kGy sau đó giảm theo chiều tăng của liều hấp thụ, khi này xảy ra đồng thời quá trình khâu mạch polyme trong khoảng liều 0 – 3,5 kGy và cắt mạch polyme trong khoảng liều hấp thụ 3,5 – 14 kGy. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.0 5.0 10.0 15.0 Liều hấp thu, kGy Hàm lượng gel , % Aac-0% Aac-1% Aac-3% Aac-5% Hình 1.1. Đồ thị biểu diễn hàm lượng gel theo liều hấp thụ tại các nồng độ AAc khác nhau. 1.2. Độ trương trong môi trường nước Bảng 1.2. Kết quả độ trương nước của mẫu CMS 35% tại các nồng độ AAc khác nhau theo dãi liều hấp thụ Phần trăm Liều AAc, (%) hấp thụ (kGy) 0 1 3 5 0,0 160,2  5,3 151,5  4,1 156,4  3,9 158,6  3,3 3,5 140,5  4,3 45,9  3,0 38,2  1,5 25,3  3,0 7,0 115,1  3,8 48,0  4,1 38,1  4,5 22,3  0,8 10,5 98,3  3,2 46,6  1,8 36,9  1,0 21,4  2,7 14,0 71,5  2,9 35,0  2,0 36,1  1,9 23,6  0,8 Độ trương nước của vật liệu thay đổi theo liều hấp thụ tại các nồng độ AAc khác nhau được mô tả trong bảng 1.2 và hình 1.2. Nhận xét: Kết quả cho thấy, với mẫu CMS không sử dụng chất nhạy hóa AAc có khả năng hấp thụ nước đạt trạng thái cao nhất theo dãi liều khi so sánh với các mẫu CMS có sử dụng chất nhạy hóa AAc. Độ trương nước giảm trong khoảng liều hấp thụ 3,5 – 10,5 kGy, sau đó tăng nhanh tại liều hấp thụ 14,5 kGy. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích hàm lượng gel đã được khảo sát ở trên. Hàm lượng gel càng cao, mật độ khâu mạng giữa các mạch polyme càng lớn, gây cản trở khả năng hấp thụ nước hay làm giảm độ trương nước của hydrogel và ngược lại. Đối với mẫu CMS có chất nhạy hóa axít acrylic, khi tăng nồng độ AAc hỗ trợ quá trình khâu mạch làm tăng hàm lượng gel và mật độ khâu mạng trong cấu trúc hệ hydrogel đồng thời làm giảm độ trương nước của vật liệu hydrogel CMS. Tại nồng độ AAc 1%, độ trương nước đạt giá trị cực đại 45 g/g trong khoảng liều hấp thụ 7,0 – 10,5 kGy, sau đó giảm nhanh xuống 38 g/g tại liều hấp thụ 14,0 kGy. Tại nồng độ AAc 3% và 5%, độ trương nước của vật liệu luôn đạt trạng thái cân bằng ổn định trong khoảng liều hấp thụ khảo sát từ 3,5 – 14,0 kGy, độ trương nước thay đổi không đáng kể 21 – 22 g/g đối với AAc 5% và 37 – 38 g/g đối với AAc 3%. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 2 4 6 8 10 12 14 Liều hấp thu, kGy Độ trương nước, g/g Aac-0% Aac-1% Aac-3% Aac-5% Hình 1.2. Đồ thị biểu diễn độ trương nước của hydrogel thay đổi theo liều hấp thụ tại các nồng độ AAc khác nhau 2. Khả năng phân hủy sinh học của hydrogel CMS trong môi trường enzym Kết quả đánh giá khả năng phân hủy sinh học của mẫu CMS 35% - AAc 5% trong môi trường enzym 1% tại các khoảng liều khác nhau theo thời gian được trình bày trong bảng 2 và hình 2. Bảng 2. Khối lượng mẫu còn lại sau quá trình thủy phân theo thời gian Liều hấp thụ (kGy) Thời gian (giờ) 3,5 7,0 10,5 14,0 0 25,0 25,0 25,0 25,0 1 21,7  2,5 15,2  1,2 12,1  1,9 7,7  3,4 2 18,0  3,8 12,4  1,5 9,2  1,8 4,7  1,5 3 15,4  1,5 9,5  1,2 7,5  1,7 3,2  1,5 4 11,8  2,5 5,8  2,0 4,8  1,7 1,9  1,0 5 6,8  2,2 3,6  1,4 2,6  1,6 0 6 3,5  1,3 0,8  0,2 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 Thời gian phân hủy, giờ Phần trăm khối lượng phân hủy, % - 3.5 kGy 7.0 kGy 10.5 kGy 14.0 kGy Hình 2. Đồ thị biểu diễn phần trăm khối lượng phân hủy của mẫu theo thời gian Nhận xét:  Tại liều hấp thụ 3,5 kGy, thời gian khảo sát khả năng phân hủy mẫu trong môi trường enzym chưa đủ để phân hủy mẫu hoàn toàn. Khối lượng mẫu còn lại tại các khoảng thời gian khác nhau luôn đạt giá trị cao nhất. Hoàn toàn phù hợp với kết quả phân tích hàm lượng gel ở trên. Đây là liều hấp thụ tối ưu, hàm lượng gel đạt giá trị cực đại, mật độ khâu mạch của hệ lớn gây kéo dài thời gian thủy phân giữa các mạch CMS.  Tại liều hấp thụ 7,0 kGy, 10,5 kGy và 14,0 kGy, khối lượng phân hủy của mẫu theo thời gian giảm theo chiều tăng của liều hấp thụ, khả năng phân hủy trong môi trường enzym của hydrogel tăng do hiện tượng cắt mạch giữa các mạch polyme tại liều cao, giảm hàm lượng gel đồng thời giảm thời gian thủy phân hoàn toàn của mẫu. IV. KẾT LUẬN - Chất nhạy hóa AAc hỗ trợ quá trình khâu mạch polyme CMS, giúp giảm liều hấp thụ khi chiếu xạ trên máy gia tốc chùm tia điện tử. Nồng độ AAc càng cao làm tăng khả năng khâu mạch và hàm lượng gel trong hệ hydrogel CMS/AAc. - Khả năng hấp thụ nước của hydrogel CMS/AAc tỉ lệ nghịch với việc tăng nồng độ chất nhạy hóa AAc. - Khả năng phân hủy trong môi trường enzym α-amylaza 1% của hệ hydrogel CMS – 35%/AAc – 5% tại liều hấp thụ 3,5 kGy chậm hơn so với các liều còn lại. TÀI LIỆU THAM KHẢO (Nên sửa tên công trình không in nghiêng, còn tên tác giả chi nên viết Họ con tên viết tắt, bổ sung năm công bố,… 1. L. Korkina, V. Kostyuk and L. Guerra, Biohydrogels for the In Vitro Re-construction and Insitu regeneration of human skin, Hydrogels. Biological Properties and Applications, 2009, p. 97-109. 2. A. Hiroki*, Hong P. T. T, N. Nagasawa, and M. Tamada, Biodegradability of Blend Hydrogels Based on Carboxymethyl Cellulose and Carboxymethyl Starch, Transactions of the Materials Research Society of Japan, MRSI-2011. 3. Kasinee Hemvichian, Phiriyatorn Suwanmala, Wannee Srinuttrakul and Manit Sonsuk, Hydrogel prepared from radiation- induced crosslinking of carboxymethyl starch, 32nd Congress on Science and technology of Thailand, 2006, 229. 4. N. Nagasawa*, T. Yagi, T. Kume, F. Yoshii, Radiation crosslinking of carboxymethyl starch, Carbohydrate Polymers, 2004, 58, p.109–113. 5. F. Yoshii a,* , L. Zhao b , R. A. Wach b , N. Nagasawa a ,H. Mitomo b , T. Kume a , Hydrogels of polysaccharide derivatives crosslinked with irradiation at paste-like condition, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2003, 208, p.320–324. 6. B. R. Pant†, H. J. Jeon, and H. H. Song*, Radiation Cross-linked Carboxymethylated Starch and Iron Removal Capacity in Aqueous Solution, Macromolecular Research, 2011, Vol. 19, No. 3, p.307-312. 7. J. Zhang, C. R. Daubert, E. A. Foegeding, Character of polyacrylamide gels as an elastic model for food gel, Rheol Acta, 2005, 44, pp.622-630. 8. R. M. Ottenbrite, K. Park, T. Okano, Biomedical Applications of Hydroges Handbook, Springer, 2010, pp.1-15. 9. R. Barbucci, Hydrogels: Biological Properties and Applications, Springer, 2009, p.9-18. 10. O. S. Lawal a,b,* , J. Storz b , H. Storz b , D. Lohmann b , D. Lechner c , W. M. Kulicke b , Hydrogels based on carboxymethyl cassava starch cross-linkedwith di- or polyfunctional carboxylic acids: Synthesis, water absorbent behavior and rheological characterizations, European Polymer Journal, 2009, 45, p.3399–3408. 11. D. K. Apar, B. Özbek*, Corn, Rice and Wheat starch hydrolysis by using various alpha- Amylase enzymes at temperature 40 °C, Journal of Engineering and Natural Sciences, 2004, 2, p.55-67. 12. N. V. Uyển, Công nghệ sinh học và một số ứng dụng tại Việt Nam, tập I, NXB Nông Nghiệp, 1994. 13. T. P. Hòa, Nghiên cứu về Thạch Dừa, Luận văn tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa, 1992. 14. T. M. Đức, Tổng hợp, biến tính và tính chất của hệ gel polyacrylamid, Luận văn thạc sĩ, Đại học Khoa Học Tự Nhiên, 2011. STUDY ON CARBOXYMETHYL STARCH CROSSLINKED BY ELECTRON BEAM RADIATION FOR PREPARING A HYDROGEL Abstract: Hydrogel based on Carboxymethyl starch (CMS) was prepared by electron beam radiation crosslinking on the EB linear accelerator UERL-10-15S2 (energy of 10 MeV, capacity of 15 kW) supplied from Russia. CMS crosslinking by EB radiation was carried out as follows: (1) dissolving CMS powder in distilled water at an 35% optimised concentration in the paste-like state with the various contents of Aac sensitizer varied from 1% to 5%; (2) the CMS/Aac compound irradiated at different absorbed doses of 3.5; 7.0; 10.5 and 14.0 kGy. The characteristic properties of CMS hydrogel such as gel comtent and degree of swelling were investigated. Biodegration ability of CMS hydrogel was hydralyzed in enzymatic medium of 1,0 % α-amylase in CH 3 COOH/CH 3 COONa buffer solution at pH = 4-5 at a fixed temperature of 40 0 C. CMS hydrogel disintegrated well more than 90% (w/w) under experimental conditions. This study is oriented for application of CMS hydrogel in cosmetics such as facial mask for skin care, moisturizing cream for skin and so on. Keywords: radiation, electron beam, CMS, hydrogel .  3,7 42,0  3,9 10,5 8,4  3,5 29,0  4,9 29,0  2,1 38,0  4,1 14,0 5,0  3,2 40,0  3,5 28, 0  3,5 25,0  3,6 Hàm lượng gel của hydrogel CMS thay đổi theo liều hấp thụ tại các nồng độ