đồ án nghiên cứu pháp tổng hợp nanocomposite

LỜI NÓI ĐẦU Với điều kiện của cuộc sống hiện nay và sự phát triển của khoa học kỹ thuật con người không ngừng nghiên cứu và tìm ra những vật liệu mới nhằm mục đích đap ứng cho các công trình nghiên cứu khoa học và phục vụ sản xuất. Trong đó vật liệu Nano được đặc biệt quan tâm mà trong đó nhiều nhất là vật liệu nanocomposite. Vật liệu nanocomposite là loại vật liệu kết hợp cả hai ưu điểm của composite và công nghệ nano, nó có những tính năng kỹ thuật đặc biệt như là: có tính siêu dẫn, chịu nhiệt, siêu bền, chịu ăn mòn hóa học… Và nanocomposite được tạo ra dựa trên nền polymer là loại được xem là dễ chế tạo, có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. với polymer là dendrimer – một loại nanopolymer được sử dụng như chất mang thuốc, enzyme, AND, protein, dung trong công nghệ xúc tác, y dược… được dung để tổng hợp những vật liệu nanocomposite có khả năng ứng dụng to lớn trong các nghành sinh học, y dược, điện tử, vật liệu bán dẫn… Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp tổng hợp nanocomposite gồm những hạt polymer nanocomposite với kích thước hạt nano có khả năng tạo ra nhiều tính chất mới lạ, hơn nữa lĩnh vực này đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các phòng nghiên cứu vật liệu mới hiện nay. Chương I: GIỚI THIỆU VỀ DENDRIMER POLYAMIDOAMINE (PAMAM) I.1 Khái niệm: Hóa học polymer và công nghệ sản xuất chúng đã xuất hiện từ lâu được dựa trên nền tảng chính là sản xuất ra các polymer mạch thẳng và mạch nhánh, chúng là vật liệu quan trọng trong sản xuất và đời sống. phân tử polymer có kích thước lớn, cấu tạo mạch thẳng chỉ chứa một vài nhánh nhỏ hơn hoặc có thể là nhánh lớn được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Vào năm 1980 thì người ta đã nghiên cứu và tìm thấy một loại vật liệu polymer có những tính chất khác biệt so với các polymer mạch thẳng và mạch nhánh thong thường, trong đó có Dendrimer. Dendrimer là một dạng polymer có kích thước nano (1-100nm) có cấu trúc nhánh dạng cây với lõi bên trong là những chất ưa dầu hoặc ưa nước với nhiều nhóm chức hoạt động bao vòng bên ngoài. Những nhóm chức này có thể kết hợp tạo thành phức bền hoặc kết hợp tạo thành mạng lưới bao bọc các phân tử hoạt động, do đó sẽ là chất mang protein, AND trong công nghệ gen và chất mang thuốc trong y học… II.2 Cấu trúc phân tử Phân tử Dendrimer có cấu tạo gồm 3 phần chính: lõi, các nhánh bên trong, các nhánh bề mặt. Phân tử dendrimer được tạo ra từ tâm gọi là lõi bên trong (Core). Tùy thuộc vào cấu trúc của lõi bên trong mà nhánh xuất phát từ lõi có thể từ 3 đến 8 nhánh hoặc nhiều hơn, thong thường khoảng từ 3 đến 4 nhánh, có nhiều chất được sử dụng để làm lõi bên trong cho dendrimer như amoniac (NH 3 ), ethylenediamine (NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 ), aniline (C 6 H 5 NH 2 ), cystamine… Các nhánh bên trong ( Interior branches) được lặp đi lặp lại, chúng lien kết với các nhóm chức bên ngoài với lõi bên trong, giữa các nhánh có nhiều không gian trống bên trong. Các nhóm bề mặt (Surface groups) thường là các nhóm anion, cation, trung tính hay các nhóm ưa nước hay kị nước… Các dendrimer ở các thế hệ thấp (0,1,2) có cấu trúc không đối xứng và có khả năng thay thế các nhóm bên ngoài cao hơn là các thế hệ cao. Do mật độ các phân tử ở ngoại vi còn rất nhỏ chưa có sự cản trở về mặt không gian nên chúng sẽ dao động tự do dễ dàng hơn. Khi dendrimer phát triển dần các nhánh làm cho các nhánh dài và phát triển rộng ra số nhóm gắn bên ngoài dendrimer trở nên đông đúc hơn nên không gian dao động của chúng dường như bị thu hẹp, mức độ dao động tự do giảm làm cho các cấu trúc nó chặt chẻ hơn và có dạng hình cầu rõ rệt. khi số lượng các nhánh bên ngoài quá đông đúc thì nó không còn khả năng phát triển nhánh nữa ( phát triển lên các thế hệ cao hơn). Lúc đó các nhóm bên ngoài như một rào chắn không cho các phân tử khác xâm nhập vào không gian trống bên trong và lúc này dendrimer bị khóa chặt. tóm lại các thế hệ đầu (3 thế hệ đầu) cấu trúc gần giống tâm nên chúng có kích thước nhỏ, mềm dẻo, không sít chặt và cấu trúc chưa có dạng hình cầu rõ. ở thế hệ càng cao thì cấu trúc có dạng hình cầu rõ rệt. Kích thước dendrimer tăng theo thế hệ Cấu trúc dendrimer dạng hình cầu Công thức của phân tử PAMAM core NH 3 dendrimer Một số dendrimer core và nhánh khác. Công thức phân tử dendrimer core polyarylether thế hệ thứ 3 Công thức phân tử dendrimer core EDA Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc Dendrimer. Độ pH Về cấu trúc hình dạng của dendrimer phụ thuộc rất nhiều vào độ pH. Nếu pH thấp (pH<4) thì các nhánh sẽ duỗi ra, các phân tử sắp xếp có trật tự hơn, không gian trống trong phân tử nhiều hơn. Ngược lại, nếu khi pH cao hơn thì các phân tử dendrimer bắt đầu co lại có hình dạng như một khối cầu, độ chặt tăng lên. Còn khi pH trung tính thì bắt đầu xuất hiện các khúc cuộn do lien kết hydrogen giữa các nhóm amine bên trong và các nhóm amine trên bề mặt. Sự thay đổi hình dạng dendrimer khi thay đổi độ pH Nồng độ muối Các nhánh PAMAM sẽ duỗi ra khi nồng độ muối thấp, khi nồng độ muối cao thì làm cho hình dạng của PAMAM bị co cuộn lại như trong dung môi khó phân cực hay pH cao. Dung môi hòa tan Trong môi trường dung môi phân cực thì các nhánh của PAMAM duỗi thẳng ra tạo liên kết hydro giữa nguyên tử N của nhóm NH bên trong và nhóm bề mặt NH 2 hoặc nguyên tử O của nhóm COO - với nguyên tử H của dung môi. Đối với dung môi ít phân cực thì PAMAM sẽ cuộn lại và hình thành liên kết nội phân tử giữa nguyên tử N của nhóm NH 2 bề mặt với nguyên tử H của nhóm NH bên trong. Tính chất PAMAM Tính mang vác Qua cấu trúc phân tử cho ta thấy trong phân tử dendrimer có nhiều khoảng trống nên chúng được sử dụng như một chất mang. Các chất chúng có thể mang là thuốc trị bệnh, các đoạn AND, các enzyme, các hocmon, các xúc tác kim loại… Trong khi đó PAMAM rất thích hợp cho việc mang thuốc vì chúng có độ chọn lọc và tính bền vững cao khi kết hợp với thuốc. hiện nay có nhiều cách để mang thuốc như nang hóa các phân tử thuốc bên trong các không gian trống của phân tử dendrimer, hoặc có thể có nhiều phân tử dendrimer kết hợp tạo thành mạng lưới bao bọc các phân tử thuốc, hoặc là các phân tử thuốc kêt hợp với các nhóm bề mặt bằng liên kết cộng hóa trị hoặc các tương tác không hóa trị. Cấu trúc xác định Trước đây trong quá trình tổng hợp các polymer mạch thẳng, mạch nhánh thì sự sắp xếp các nhánh xảy ra một cách ngẫu nhiên và các phân tử có kích thước khác nhau nên không đồng đều. nhưng đối với dendrimer thì ta có thể tổng hợp chúng với kích thước và khối lượng phân tử như mong muốn. Chính vì với cấu trúc đặc biệt này mà các dendrimer có những tính chất tốt hơn những polymer khác. Khi hòa tan trong dung môi các polymer thông thường tồn tại ở dạng cuộn mềm dẻo dễ thay đổi hình dạng nhưng dendrimer thì tồn tại ở dạng một trái banh chặt chẽ rất ít hoặc không bị biến dạng. điều này ảnh hưởng nhiều đến độ nhớt của dendrimer. Khi khối lượng phân tử của dendrimer tăng thì độ nhớt của nó cũng tăng nhưng đến hệ thứ tư và sau đó giảm xuống. còn đối với các polymer mạch thẳng và nhánh thì độ nhớt của chúng tăng theo chiều tăng của khối lượng phân tử. Nhưng đặc biệt hơn là các thế hệ dendrimer có kích thước chuẩn rất hợp với những vật chất trong cơ thể. Chẳng hạn như G4 thì có kích thước 40A O chuẩn với kích thước của cytochrome, G5 có kích thước 53A O chuẩn với hemoglobin, G6 có kích thước 67A O phù hợp với AND và histone. vì chính những lý do đó mà dendrimer là vật liệu nano rất được chú trọng trong y học ngày nay. Kích thước của dendrimer và kích thước các vật chất trong cơ thể Tính chất nano Trong dung dịch các dendrimer có sự phân bố kích thước và hình dạng rất phong phú có khi chúng kết thành một chuổi thẳng dài, có khi kết thành chùm, hay có khi ở dạng monomer, dimer, trimer. Kích thước phân tử của chúng thường khoảng vài chục đến vài trăm nanomet nên nó được xem là vật liệu nano. Dendrimer được công bố gần đây có kích thước khoảng từ 50 – 800nm, nhưng tốt nhất là từ 50 – 300nm. Hiện nay, vật liệu nano đang được nghiên cứu rất rộng rãi, chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, vì vậy với sự ra đời của dendrimer cũng là một thành tựu lớn trong lĩnh vực tìm kiếm các vật liệu nano mới. tuy nhiên trong quá trình tổng hợp chúng rất phức tạp, đòi hỏi kĩ thuật cao, giá thành lại đắt. Tính tương hợp sinh học Các nhóm bề mặt của dendrimer có khả năng làm tăng tính tan, tính trộn lẫn và hoạt tính của chúng. Ví dụ như các nhóm bề mặt là: OH, NH 2 … có thể làm tăng tính tan của dendrimer. Những dendrimer vừa có tính ái nước vừa có tính ái dầu được chú ý tổng hợp nhiều hơn vì tính ái nước là để chúng có thể hòa tan vào môi trường nước trong cơ thể đi đến các tế bào, tính ưa dầu là để khi đến tế bào chúng có thể đi qua màng lipide đi sâu vào trong tế bào. Trong lĩnh vực y học thường sử dụng các dendrimer có độ tan thấp bởi chúng ít tan thì sẽ khó bị nước mang đi khắp cơ thể. Ngoài ra các dendrimer có tính tương thích với cơ thể rất cao và được đào thải dần ra ngoài cơ thể nên ít nguy hiểm đối với cơ thể. Những nghiên cứu cửa D.A Tomalia thường đi sâu vào các dendrimer ái nước. nhiều nghiên cứu cho thấy khi ta sử dụng phóng xạ Iot – 125 được gắn vào dendrimer có lõi là phenolic thì dendrimer có thể bài tiết qua thận rồi theo đường nước tiểu hay đường phân đi ra ngoài. Ứng dụng Dendrimer là một vật liệu mới Vào năm 1985 thì Tomalia đã sử dụng dendrimer làm chất phá nhũ tương của dầu và nước, dùng làm chất giữ ẩm cho giấy và có tác dụng làm thay đổi độ nhớt nên dùng trong sản xuất. Vào năm 1987, Tomalia cùng với đồng sự đã phát hiện ra dendrimer có nhiều nhánh được điều chế từ polyethyleneimine với methylacrylate, ethylenediamine. Họ sử dụng để chế tạo phân tử composite, làm vật liệu polymer. Đến năm 2002, Grinstaff đã phát hiện ra các polyester dendrimer có nguồn gốc từ các monomer như glycerol, succinic acid được dùng trong các quá trình sản xuất giấy lụa. Năm 2003,Vijay R Mhetar đã sử dụng dendrimer để làm thay đổi bề mặt nhựa nhiệt dẻo như độ dẻo, khả năng chịu nhiệt. khi trộn với dendrimer có thể khống chế được tính chất mốc của nhựa, chống tia tử ngoại, mài mòn cao, chống cháy. Do đó, loại nhựa trên có nhiều ứng dụng như làm kính, đố trang trí… Trong y dược và sinh học. Một trong các khối có cấu trúc nano được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là dendrimer bởi tính chất hướng đích và phát hiện của nó. Các thiết bị nano dùng dendrimer PAMAM đa chức năng cung cấp một nền tảng nano để chụp ảnh, phân phối thuốc và điều trị ung thư, giúp tăng hoạt lực của thuốc… Trong lĩnh vực y dược dendrimer được dùng làm chất mang thuốc đến các vị trí trong cơ thể rất hiệu quả, nhất là các nơi có khối u ác tính. Khi thuốc được gắn vào dendrimer, thuốc có thể phóng thích nhờ quá trình tiếp xúc với vị trí định sẳn trong cơ thể. Dendrimer có thể sử dụng như một tác nhân che phủ bên ngoài để bảo vệ hay mang thuốc đến các vị trí đặc biệt trong cơ thể hay điều tiết thời gian phóng thích các tá dược một cách hợp lý tránh hiện tượng thuốc chưa được hấp thu mà đã đào thải ra ngoài. Người ta dùng dendrimer làm chất mang thuốc có tuổi thọ rất ngắn trong cơ thể. Khi sử dụng chất mang thì thuốc có thể đưa đến dung với các vị trí cần điều trị trong cơ thể, lượng thuốc sử dụng ít hơn, dược tính được tăng cao. Ngoài ra nó không độc đối với cơ thể, có tính đào thải tốt. chính vì dendrimer có nhiều ưu điểm như vậy nên được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị nên đã thu hút rất nhiều nhà khoa học và đã thu được nhiều thành công. James Baker, giáo sư chuyên về công nghệ sinh học nano ở trường đại học Michigan, đã đưa ra ý tưởng ghép PAMAM dendrimer với chất kháng thể chống ung thư methotrexate, vitamin, acid folic và chất tạo ảnh huỳnh quang. Chất này khi đưa vào cơ thể sẽ dính chặt và tiêu diệt các tế bào ác tính mà không gây tổn thương cho các tế bào xung quanh. Những hạt này được chế tạo có kích thước cực nhỏ có khả năng lọt qua những rào cản chẳng hạn như mạch máu, “then cài cửa” tế bào ung thư. Vì các phân tử dendrimer có nhiều nhánh nên người ta cài acid folic vào các nhánh đó. Đến năm 2005, Thomas và Majoros cũng sử dụng acid folic (FA) tới tế bào ác tính như ung thư não, cổ và ung thư buồng trứng. Họ kết hợp PAMAM dendrimer thế hệ thứ 5 với chất chống ung thư như methotrexate và taxol sử dụng độ nhạy pH in vivo để giài phóng thuốc chống ung thư nằm trong chất mang polymer nano phân hủy sinh học. Nó chỉ đáp ứng riêng biệt tại vị trí của khối u. [...]... làm hệ thống hấp thu ánh sáng, màn hình tinh thể lỏng, vật liệu quang học 3D… PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DENDRIMER Hiện nay việc tổng hợp dendrimer theo hai con đường chính là phương pháp divergent và covergent, ngoài ra người ta còn công bố phương pháp khác là tổng hợp dendrimer trên nền silicagel Khi tổng hợp bằng hai con đường khác nhau thì cấu trúc của chúng cũng khác nhau Phương pháp divergent Dendrimer... tiếp theo Tổng hợp dendrimer theo phương pháp Covergent Phản ứng điều chế dendrimer (PAMAM) Các polyamidoamide được tổng hợp bắt đầu từ Methyl acrylate (C 4H6O2), NH3, CH3OH, phản ứng được thực hiện dưới nhiệt độ phòng, trong 48 giờ, sau đó cô quay ở nhiệt độ 40OC, cuối cùng hút chân không ở 40OC, sau phản ứng ta thu được sản phẩm core Trình tự tổng hợp để tạo dendrimer thế hệ thứ 3 như tổng hợp Core,... phương pháp Divergent Phương pháp convergent Phương pháp này ra đời khắc phụ được nhiều nhược điểm của phương pháp divergent Trong phương pháp này dendrimer được tổng hợp theo dạng bậc thang Theo phương pháp này có một số điểm thuận lợi hơn là nó dễ dàng làm sạch sản phẩm và những khuyết tật của sản phẩm cũng được giảm đến mức độ tối thiểu Việc tổng hợp dendrimer đòi hỏi phải có sự sắp xếp thật tỉ mỹ... Core, chỉ khác nguyên liệu ban đầu và điều kiện phản ứng Tổng hợp sản phẩm thứ nhất Lấy sản phẩm core, ethylene diamine (N2H4),CH3OH, thực hiện quá trình tổng hợp ở 70OC, 70 giờ cuối cùng thu được sản phẩm thứ nhất Tổng hợp polyester Từ sản phẩm thứ nhất, methylacrylate (C4H6O2), CH3OH phản ứng 86 giờ, 60OC thu được polyester thế hệ thứ hai Tổng hợp polyamine thế hệ hai Từ polyester thứ hai, methylene...Năm 2007,David Karol và Mark Grinstaff ở trường đại học Boston, Ph D ở viện nghiên cứu Triangle được tổng hợp hạt dendrimer sinh học có khả năng tan trong nước Những nhà nghiên cứu đã chế tạo dendrimer bằng cách polymer hóa acid succinic và glycerol Hiện nay người ta cũng sử dụng dendrimer nhiều trong lĩnh vực sinh học bởi những... của phương pháp divergent thường xảy ra các phản ứng phụ và sản phẩm sinh ra có nhiểu khuyết tật Vì vậy, để ngăn cản phản ứng phụ và thúc đẩy phản ứng chính thì độ tinh khiết của tác chất phản ứng phải ở mức độ cho phép là một đòi hỏi rất quan trọng Nếu phản ứng phụ xảy ra nhiều sẽ gây ra trở ngại cho việc tinh chế sản phẩm cuối cùng Tổng hợp dendrimer theo phương pháp Divergent Phương pháp convergent... sau: Phức chất là những hợp chất phân tử xác định, khi kết hợp với các hợp phần của chúng lại thì tạo thành các ion phức tạp tích điện dương hay âm, có khả năng tồn tại ở dạng tinh thể cũng như ở trong dung dịch Trong trường hợp riêng, điện tích các ion phức tạp đó có thể bằng không Cho đến gần đây thì vẫn còn sự bàn luận về phức chất theo K.B.Laximirxki thì “ phức chất là những hợp chất tạo được các... thứ hai, methylene diamine (C4H6O2), CH3OH phản ứng trong thời gian 90 giờ, 70OC, thu được polyamine thế hệ thứ hai Tổng hợp polyester thế hệ thứ 3 Từ polyamine thế hệ thứ hai, methylacrylate (C4H6O2), CH3OH thực hiện phản ứng trong 100 giờ, 60OC thu được polyester thế hệ thứ 3 Tổng hợp polyamine Bao gồm polyester thế hệ thứ 3, methylene diamine (C4H6O2), CH3OH phản ứng thực hiện trong 100 giờ, 70OC... Số phối trí còn phụ thuộc vào nhiệt độ khi nhiệt độ tăng thì sẽ tạo ra các ion phối trí thấp hơn Ví dụ: khi đun nóng hexammin coban cao hơn 150 OC thì tạo thành diamin đồng thời số phối trí của coban chuyển từ 6 xuống 4 Dựa vào các hợp chất mà người ta phân biệt ra một số loại phức chất sau: Axit phức H2[PtCl6], H[AuCl4]…Bazo phức [Ag(NH3)2]OH… Muối phức K2[HgI4]… Dựa vào dấu hiệu điện tích ion: phức... thành phần phức tạp (số phối trí và số hóa trị không trùng nhau) Một số phức chất: [Co(NH3)3]Cl3, [Co(H3O)6]Cl3, [CuPy4](NO3)2… Do sự có mặt của liên kết phối trí nên phức chất còn có thể được gọi là hợp chất phối trí Các ion trung tâm thường là các cation kim loại, còn ligand là các ion hoặc các phân tử vô cơ, hữu cơ Phối tử liên kết với các ion trung tâm bằng các liên kết δ, π, σ và bằng các liên . được dung để tổng hợp những vật liệu nanocomposite có khả năng ứng dụng to lớn trong các nghành sinh học, y dược, điện tử, vật liệu bán dẫn… Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp tổng hợp nanocomposite. hệ thống hấp thu ánh sáng, màn hình tinh thể lỏng, vật liệu quang học 3D… PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP DENDRIMER Hiện nay việc tổng hợp dendrimer theo hai con đường chính là phương pháp divergent và covergent,. cùng. Tổng hợp dendrimer theo phương pháp Divergent Phương pháp convergent Phương pháp này ra đời khắc phụ được nhiều nhược điểm của phương pháp divergent. Trong phương pháp này dendrimer được tổng