Mang sinh hoc sản xuất từ tằm

Tổng quan màng sinh học Màng sinh học Collagen Chitin Chitosan Các ứng dụng nghiên cứu đã có trên thế giới và Việt Nam Phuong pháp nghiên cứu Sơ đồ nghiên cứu Kết quả và bàn luận về màng sinh học dâu tằm Nghiên cứu ứng dụng triển khai trong quy mô công nghiệp

Chöông 1.

TOÅNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TƠ TẰM

 Nghề trồng dâu chăn tằm vốn có từ lâu đời, song đến nay chưa có khẳng định chắc chắn nó khởi nguồn từ Trung Quốc hay Ấn Đôä, nhưng nhiều giả thuyết cho rằng Trung Quốc là nước đầu tiên trên thế giới biết nghề nuôi tằm bằng lá dâu Trung Quốc có lịch sử nghề dâu tằm hơn 5000 năm, ngay từ khi nó

ra đời, nó đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế của con người Cho đến ngày nay, mặc dù các sợi nhân tạo phát triển và có những ưu điểm nhất định, có thời kỳ tưởng chừng như lấn át được sợi tơ tằm làm cho việc sản xuất từ tơ tằm phần nào bị giảm sút Song dần dần người ta nhận ra rằng tơ tằm có những đặc tính quý báu mà không có một loại sợi tổng hợp nào sánh kịp, đó là các tính chất về độ đàn hồi, độ bền, tính mềm mại, khả năng hấp phụ màu, khả năng cách nhiệt tốt, khả năng cách điện được tốt, tạo ra sản phẩm đa dạng phong phú, phục vụ yêu cầu về thương mại

 Tơ tằm không chỉ là nguyên liệu tốt để sản xuất các loại lụa cao cấp, mà còn là nguyên liệu làm chỉ dù, lốp máy bay, vật liệu cách điện, chỉ khâu khi mổ, đồ trang sức, Với những đặc tính quí báu đó tơ tằm trước kia cũng như ngày nay vẫn là mặt hàng xuất khẩu có giá trị kinh tế cao được ưu tiên tuyệt đối

1.1.1 Quá trình hình thành của con tằm

1.1.1.1 Vòng đời của tằm dâu [1], [4]

 Trong phân loại, họ tằm dâu là loại côn trùng thuộc:

Tên khoa học: Bombyx mori

 Tằm dâu là loại côn trùng biến thái hoàn toàn, trong sự phát triển cá thể để hoàn thành một thế hệ, nó phải trải qua 4 giai đoạn rõ rệt là: trứng, tằm, nhộng, ngài Tùy sự thích nghi lâu đời với những điều kiện khí hậu của các vùng địa lý khác nhau mà tằm dâu hình thành nên các hệ tằm: tằm độc hệ ở vùng hàn đới, tằm lưỡng hệ ở vùng ôn đới và tằm đa hệ ở vùng nhiệt đới

 Giai đoạn đầu tiên là trứng tằm: phôi thai sinh trưởng và phát triển thành tằm

 Giai đoạn thứ hai là tằm: tằm lấy chất dinh dưỡng từ lá dâu, trong vòng đời của tằm dâu đây là giai đoạn duy nhất nhận thức ăn từ bên ngoài vào để tích lũy chất dinh dưỡng dùng cho cả chu kỳ sống của nó, nên người ta gọi giai đoạn này là giai đoạn sinh dưỡng

 Giai đoạn thứ ba là nhộng: người ta gọi là giai đoạn biến thái, trong giai đoạn này tằm đã trưởng thành

 Giai đoạn thứ tư là ngài: là giai đoạn cuối cùng Giai đoạn này những con ngài đực và những con ngài cái thành cặp rồi đẻ trứng, sinh ra thế hệ tiếp theo, nên còn gọi là giai đoạn sinh sản

Hinh 1.1 Sơ đồ minh họa chu kỳ sống của tằm B.mori

Đường thẳng đứng cho biết sự thay đổi chiều dài của ấu trùng trong suốt thời gian sinh trưởng Đường cong cho biết sự thay đổi trọng lượng ấu trùng ( ) và tuyến tơ ( _ ) trong suốt thời gian sinh trưởng

 Thời gian một vòng đời của tằm dâu có thể kéo dài từ 6 dến 8 tuần tùy theo giống và khí hậu Ví dụ như các giống đa hệ ở vùng nhiệt đới có vòng đời ngắn nhất, còn các giống độc hệ ở vùng ôn đới có vòng đời dài nhất

 Trong pha tằm có 4 lần ngủ và 5 tuổi, 3 tuổi đầu còn gọi là tằm nhỏ, còn 2 tuổi cuối (tuổi 4 và tuổi 5) gọi là tằm lớn Thời gian từ khi tằm nở đến khi tằm chín tùy theo giống, khí hậu từng mùa và điều kiện nuôi dưỡng khác nhau, thông thường vào mùa hè 20 đến 22 ngày, xuân thu từ 25 đến 28 ngày

1.1.1.2 Hình thái bên ngoài của tằm [5], [6] [9]

Toàn thân con tằm là hình ống dài, bao gồm 3 bộ phận chính là: đầu, ngực và bụng Mỗi bộ phận chính lại có những bộ phận phụ thuộc Đầu có mắt, râu (có cảm giác), miệng; ngực gồm ba đốt và có 3 đôi chân ngực; bụng có 10 đốt và có ba đôi chân…

Hình 1.2 Hình thái bên ngoài của tằm dâu

I_II_III: Các đốt ngực của tằm

1_10: Các đốt bụng

a: Đầu b: chân ngực c: chân bụng d: lỗ thở

e: chân đuôi g: gai đuôi h: chấm đốm

Hình1.3 Các cơ quan bên trong của tằm

1 yết hầu 2 thực quản 3 mạch máu lưng 4 tuyến tơ 5 chuỗi thần kinh bụng 6.Manpighi 7 ruột non 8.ruột già 9.ruột thẳng 10.hậu môn

1.1.2 Tuyến tơ tằm

1.1.2.1 Vị trí, hình thái [4], [5]

 Tuyến tơ có hình ống, màu hơi vàng trong, nằm dưới ống tiêu hóa, bên cạnh hệ thần kinh Tuyến tơ nằm từ đầu tằm tới hết đốt bụng thứ 6, có khi tới hết đốt bụng thứ 7

 Tuyến tơ chia thành ba phần chính:

 Phần nhả tơ:

Còn gọi là phần trước của tuyến tơ Phần nhả tơ là ống nhỏ ngắn, nằm gọn ngay đầu tằm Bộ phận nhả tơ có ống nhả tơ, khu ép hai sợi tơ thành một và khu chung Vị trí của phần này nằm dưới thực quản, độ to nhỏ không đều nhau Ở tằm tuổi 1÷2, nó chỉ là sợi chỉ nhỏ thẳng Khi tằm lớn lên thì phần này cũng lớn lên và cong dần Đặc điểm của phần này là không có khí quản phân bố Bộ phận này có tác dụng điều hòa trong quá trình nhả tơ (không có tác dụng phân tiết)

 Phần giữa của tuyến tơ:

Còn gọi là phần dự trữ Đây chính là phần lớn nhất của tuyến tơ Khi tằm nhỏ, phần này hơi cong, tuổi 4÷5 trở đi phát triển và gấp thành hai khúc, chia thành đoạn trước, đoạn giữa và đoạn sau Đoạn giữa có khí quản phân bố để cung cấp oxi, đồng thời có tác dụng cố định vị trí của nó

 Phần cuối của tuyến tơ:

Còn gọi là phần phân tiết chất tơ Là ống có đường kính nhỏ và đều nhau, là bộ phận dài nhất của tuyến tơ Nó gấp thành nhiều khúc trong xoang tằm, có khi gấp thành 50 khúc, chiều dài có khi lên tới 18cm Tuy nhiên, độ gấp khúc và chiều dài phần cuối của tuyến tơ còn phụ thuộc vào giống tằm và điều kiện nuôi dưỡng Phần cuối của tuyến tơ có phân bố nhiều khí quản và cơ thịt

1.1.2.2 Sự sinh trưởng và phát triển của tuyến tơ [4],[5]

 Quá trình phát triển của tuyến tơ trong xoang tằm có thể chia ra thành hai thời kỳ Thời kỳ sinh trưởng chậm là lúc tằm nhỏ, tuổi 1÷3, thời kỳ sinh trưởng nhanh là vào lúc tằm lớn, tuổi 4÷5 Đặc biệt tuổi 5, tuyến tơ sinh trưởng rất nhanh, nhanh nhất là vào trước lúc tằm chín 3÷5 ngày, lúc này tuyến tơ phát triển mạnh, chiếm gần như toàn bộ xoang tằm, ép ống tiêu hóa lại

 Chiều dài của tuyến tơ của tằm tuổi 5 so với tuổi 1 tăng 37,5 lần, chiều rộng tăng 40 lần Tốc độ phát triển của tuyến tơ còn phụ thuộc vào hệ thống giống tằm và điều kiện nuôi dưỡng chúng cũng như các biện pháp kỹ thuật

 Giống độc hệ có tốc độ phát triển tuyến tơ nhanh nhất, sau đó đến giống lưỡng hệ và đa hệ.

 Tằm được ăn dâu ngon và no đủ thì tốc độ phát triển tuyến tơ nhanh Vì vậy trong giai đoạn tằm lớn nhất là tuổi 5 cần phải cho tằm ăn dâu ngon, ăn no đồng thời tác động lên các biện pháp kỹ thuật để tuyến tơ phát triển tốt

1.1.2.3 Cấu tạo tuyến tơ [7]

 Gồm ba lớp, lớp ngoài là màng mỏng, trong suốt, không có cấu tạo tế bào, độ dày mỏng đồng đều, là lớp bao bọc tuyến tơ Lớp giữa là lớp chủ yếu do hai tế bào hợp lại thành hình vòng tròn Lớp trong cùng có cấu tạo tế bào và hình thành màng mỏng Như vậy tuyến tơ do hai tầng tế bào tạo nên, độ to nhỏ của tuyến tơ không đồng đều Đoạn trước thì tế bào là nhỏ nhất, đoạn cuối tế bào là to nhất Tuyến tơ càng phát triển thì độ dày lớp giữa càng mỏng

Hinh1.4 Tuyến tơ của ấu trùng Bombyx mori đã trưởng thành

 Tuyến tơ tằm được chia thành 4 phần cơ bản:

 Nắp đệm: có một cặp cơ quan nhỏ, cơ quan này bao gồm những tế bào liên kết với nhau thành ống dẫn tơ

 Khu vực tuyến trước: có chiều dài khoảng 4cm và chiều rộng khoảng 0,05÷0,3mm

 Khu vực tuyến giữa: dài khoảng 8cm và rộng khoảng 1,2÷2,5mm Chất fibroin được tiết ra từ đây và được chuyển vào phần trung tâm hay còn gọi là phần dự trữ, tại đây fibroin sẽ được lưu giữ dưới dạng chất nhầy cho đến khi cần cho quá trình tạo kén Phần trung tâm không chỉ hoạt động như kho dự trữ mà chính thành ống của nó tạo ra chất sericin cùng với các sắc tố trong từng giai đoạn của ấu trùng tạo ra tơ màu

 Khu vực tuyến sau: dài khoảng 20cm và rộng khoảng 0,4÷0,8mm

1.1.2.4 Sự hình thành sợi tơ [5]

 Tế bào tuyến tơ phân tiết ra chất tơ dưới dạng lỏng trong suốt, chứa nhiều nước và dự trữ chất tơ này trong tuyến tơ Do sự co bóp của hệ thống cơ của bộ phận nhả tơ, kết hợp với ma sát và vặn xoắn, chất tơ được nhả ra và biến thành sợi tơ

 Khi chất tơ đi qua lỗ nhỏ của màng trong tuyến tơ, được sự co bóp của hệ thống cơ cùng với sức hút của bộ phận nhả tơ đã tạo thành lực đưa dịch chất tơ từ xoang tế bào tuyến phía dưới đưa lên phía trên Nhờ có tác động của hai tuyến chùm nho tiết ra chất dịch và cơ đập làm cho hai sợi tơ dính lại thành một, qua ống nhả tơ ra ngoài

 Cấu tạo của một sợi tơ:

Cắt ngang sợi tơ, ta thấy có hai sợi nhỏ dính vào nhau bao bọc bên ngoài là một lớp keo Hai sợi trong là cốt tơ hay còn gọi là fibroin, bao bọc bên ngoài là lớp keo tơ còn gọi là sericin Cốt tơ và keo tơ kết hợp với nhau chặt chẽ để tạo thành sợi tơ

Từ các phương pháp hóa học, người ta đã đưa ra bằng chứng cho rằng sợi tơ không phải là cấu trúc đồng nhất mà nó được cấu tạo bởi nhiều sợi thớ nhỏ ở trạng thái tổ chức cao, bao xung quanh và giữ chúng lại là các vùng có cấu tạo protein kém hơn Một vài nghiên cứu đã được tơ gồm có 3 vùng: vùng trung tâm_vùng định hướng tốt với cấu trúc protein tốt từ parallel tới trục sợi; bao xung quanh là vùng thứ hai với sự định hướng kém hơn; vùng thứ ba là lớp mỏng bao bên ngoài có sự định hướng nhỏ nhất Do đó sự định hướng giảm từ tâm sợi tơ ra ngoài, đây là điểm khác nhau nổi bật giữa chúng với tơ nhân tạo vì tơ nhân tạo có lớp ngoài cùng là vùng định hướng mạnh nhất

1.1.2.5 Tính chất của sợi tơ tằm [4]

Sợi tơ lớn bao gồm lớp sericin, fibroin, ngoài ra còn parafin, muối vô cơ và sắc tố…

a) Tính chất vật lý của sợi tơ:

 Tính chịu nhiệt:

Tơ tằm có khả năng chịu nhiệt cao hơn hẳn tơ nhân tạo, len dạ… Tới

110oC tơ tằm chưa bị phân giải, nên bề mặt của tơ không thấy có sự thay đổi

Ở 170oC tơ tằm giảm sức dai 15%, giảm độ dãn 20% và không phục hồi được lượng hút ẩm ban đầu Ở 250÷280oC, tơ tằm biến thành màu đen, có màu khét

 Tính hút ẩm:

Tơ tằm có tính hút ẩm rất cao và cao hơn hẳn so với các loại sợi tơ hóa học, sợi tổng hợp khác Khả năng hút ẩm tơ tằm rất lớn, trong điều kiện bình thường, tỉ lệ hồi ẩm 11÷16% Tùy theo độ ẩm không khí nơi bảo quản, lượng hút ẩm của tơ tằm có thể tăng lên đến 30% Trong khi các loại sợi hóa học, sợi tổng hợp chỉ hút được khoảng 5%

 Sức dai và độ dài (đàn hồi):

Trong các loại tơ động vật thì tơ tằm là loại có độ bền và độ dãn của tơ khác nhau Khi tơ có tỷ lệ hồi ẩm khoảng 6÷8% thì có sức dai cao nhất Tỷ lệ hồi ẩm càng tăng thì độ dai giảm, độ dãn tăng Khi nhiệt độ tăng cũng làm cho độ giãn, sức dai của tơ giảm

 Tỷ trọng và tỷ nhiệt của tơ:

Tỷ trọng của tơ khoảng 1,3÷1,45, tùy theo hàm lượng keo chứa trong tơ và khả năng hút ẩm cùng việc hút các chất khí mà thay đổi

 Tính chất hút không khí:

Do cấu tạo tơ tằm có nhiều lớp, nhiều chỗ hổng nên có khả năng hút và chứa không khí khá hơn (có thể tới 35% thể tích) Do vậy, mặt hàng tơ lụa về mùa hè thoáng mát, mùa đông ấm áp

b) Tính chất hóa học của tơ:

 Tác dụng với acid:

Tác dụng của acid đối với tơ không mạnh lắm Tuy sức đề kháng của tơ đối với acid khá cao nhưng nếu nhiệt độ tăng sẽ làm tơ nhả và nở to hơn và dần hòa tan Các acid vô cơ như HCl, H2SO4, HNO3… có nồng độ đậm đặc đều có thể hòa tan tơ

 Tác dụng của kiềm đối với tơ:

Tác dụng của kiềm đối với tơ có tác dụng mạnh hơn tác dụng của acid với tơ Dung dịch kiềm loãng cũng có khả năng hòa tan tơ (chủ yếu là keo tơ, còn cốt tơ fibroin thì ít ảnh hưởng) Dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ cao, thời gian tác động kéo dài thì tơ bị tan nhiều

 Tác dụng của các loại muối đối với tơ:

Các loại muối của Fe, Cu, Al, Ba, … khi tơ hút vào thì làm tăng trọng lượng, giảm độ dai Dung dịch muối ăn NaCl 2% ngâm 7 ngày tơ bị tan

 Tác dụng oxy hóa không khí và tác dụng ánh sáng đối với tơ tằm: Tính chịu đựng của keo tơ đối với không khí tương đối cao Trong đó lớp keo tơ bên ngoài thường kém bền vững hơn lớp keo tơ bên trong Tơ sau khi tẩy chuội, lớp keo tơ bên ngoài bị mỏng hay mất dần đi thì khả năng bảo vệ cốt tơ và chống oxy hóa cũng giảm đi

Dưới tác động của ánh sáng, đặc biệt là tia tử ngoại làm cho hàng tơ lụa

bị xấu đi, vì các acid amin trong tơ lụa hấp thụ tia tử ngoại, giảm lực liên kết giữa các phân tử, gây tác hại cho cốt tơ

Lớp keo tơ bên ngoài có tác dụng phản xạ ánh sáng, nó làm yếu tác dụng của các tia sáng tới lớp cốt tơ Cho nên chính lớp keo tơ có tác dụng bảo vệ fibroin chống lại nhiệt, chống oxy hóa, chống nấm mốc và chống ánh sáng hủy hoại tơ

1.1.3 Hóa học fibroin [7], [8]

 Trong thành phần của tơ tằm, ngoài fibroin và sericin là những protein_thành phần chính của tơ tằm, tơ tằm còn chứa một số chất hòa tan trong ete, trong rượu etylic và các chất màu tự nhiên (thường là màu vàng) Sau khi đốt cháy, tơ để lại một lượng tro nhất định Lượng tạp chất tro không cố định mà thay đổi trong một lượng giá trị rộng tuỳ thuộc vào giống và điều kiện nuôi tằm

 Thành phần chung được thống kê như sau:

Fibroin : 70÷80%

Sericin : 20÷30%

Tạp chất tan ete : 0,4÷0,6%

Tạp chất tan trong rượu : 1,2÷3,3%

Chất khoáng : 1,0÷1,7%

 Fibroin thuộc về lớp scleroprotein, trong đó thành phần nguyên tố của nó gồm:

C : 48÷49%

H : 17,35÷18,85%

N : 4,21÷8,65%

O : 26,0÷27,9%

1.1.3.1 Phân tử lượng của fibroin [10]

Vấn đề trong việc xác định khối lượng phân tử của fibroin luôn gặp nhiều khó khăn trong việc làm tinh khiết và đồng nhất các mẫu đo Hơn nữa, do fibroin không tan trong các dung môi thông thường Và kết quả là giá trị khối lượng phân tử của fibroin có một khoảng giới hạn rộng lớn tùy thuộc vào từng phương pháp khảo sát

Ví dụ như theo phương pháp xác định bằng áp suất thấm lọc dùng Cupriethylendiamin để hoà tan có kết quả là 33.000Da Theo phương pháp đo độ nhớt và chiết quang của dung dịch thu được khi cho fibroin hoà tan vào LiSCN có kết quả là 55.000Da; 103.000Da bằng phương pháp định lượng (Cys)2; với phương pháp siêu ly tâm cho kết quả 400.000Da… Tuy nhiên với những phát hiện gần đây bằng cách hòa tan phần chiết của tuyến tơ dùng ure hay dung dịch guanidine_HCl cho kết quả về khối lượng phân tử nằm trong một khoảng hẹp là 350.000

÷370.000D Qua đó ta thấy hai phương pháp xác định thẩm thấu và phương pháp đo độ nhớt có sự sai biệt rất lớn so với các kết quả sau này là do có tạo ra sự thủy phân cục bộ trong khi hòa tan fibroin bằng các dung môi đặc biệt Kết quả thu được từ việc nghiên cứu dùng hiện tượng chuyển điện gel, lọc gel, dữ liệu phân tích từ phép phân tích sa lắng thì phân tử fibroin được hình thành từ chuỗi lớn và ba chuỗi nhỏ cùng kiên kết với nhau bởi các cầu nối disunfua Khối lượng phân tử tương ứng của chúng là 280.000Da và 26.000Da Như vậy có thể kết luận rằng trọng lượng phân tử của fibroin là 400.000D cho cấu trúc bậc bốn và 103.000Da cho trạng thái cấu trúc bậc một

1.1.3.2 Thành phần acid amin [10]

 Công thức hóa học của fibroin là: C15H23N5O6

 Fibroin là sợi gồm nhiều chuỗi dài aminoacid song song với nhau và được kết nối với nhau theo chiều dọc bằng liên kết peptid, liên kết theo chiều ngang bằng liên kết hydro Glycine (R=H), alanine (R=CH3_), serine (R=CH2OH_) và tyrosine (R=CH2C6H4OH_) là những acidamin quan trọng có mặt trong chuỗi

Hình 1.5 Cấu tạo hóa học fibroin

Hình 1.6 Cấu trúc của fibroin

 Với các phương pháp phân tích ngày càng tinh vi (phương pháp sắc ký, phương pháp nihidrin…) đã đem đến kết quả phân tích về thành phần của các acid amin gần chính xác Thế nhưng hiện nay vẫn còn một số acid amin như serine, threonine có hàm lượng khi phân tích vẫn vấp phải sai số từ 3÷5% Nguyên nhân là

do cấu trúc của các acid amin này rất dễ bị phá hủy cục bộ trong lúc khảo sát

Bảng 1.1 Thành phần các acid amin có trong fibroin:

Amino acid Tỉ lệ phần trăm

 Trong phân tử fibroin, tổng số nhóm acid trung bình nhiều gấp 2÷3 lần tổng số nhóm bazơ, acid aspartic nhiều hơn acid glutamic và hàm lượng arginine lớn hơn rất nhiều so với lysine và histidine

 Các phương pháp nghiên cứu trước đây không tìm thấy sự hiện diện của cystine trong phân tử fibroin Mặc dầu hàm lượng acid amin cystine là rất nhỏ nhưng chúng có vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc bậc cao của fibroin nhờ vào cầu nối disunfua

 Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng lượng glycine, serine, tyrosine và các acid amin khác cũng tăng nhanh trong những ngày cuối trước khi diễn ra quá trình nhả tơ

 Người ta đã khám phá ra rằng trong mô nắp đệm, β _decarbxylase có khả năng chuyển acid aspartic thành _α alanine bởi vì có một lượng acid aspartic đáng kể trong hemolymph ở ấu trùng trưởng thành Ngoài ra các mô (như nắp đậm, cơ ruột…) chuyển pyruvate thành _α alanine thông qua phản ứng chuyển tiếp acid glutamic và ketoglutarate

 Trong fibroin còn có cả chất béo, acid béo của những lipit này gồm 2 hoặc 3 liên kết đôi kết hợp với nhau trong phân tử Các acid béo liên kết với nhau đóng vai trò như những mắc xích liên kết phân tử fibroin, giúp chúng ở vào đúng vị trí chính xác.

1.1.3.3 Cấu trúc mạch polypeptid của fibroin [10]

 Dựa vào những kết quả nghiên cứu từ sự thủy phân fibroin (chủ yếu thủy phân bằng các enzym chymotrysine và trypsine) cho thấy mạch polypeptid của fibroin có những đoạn dài chỉ cấu tạo từ các gốc glycine và alanine; glycine và serine nằm nối tiếp nhau Còn các acid amin khác có trong thành phần của fibroin chỉ tập trung ở những đoạn mạch nhất định Mạch polypeptid của fibroin có đặc điểm là ít phân nhánh, có cấu trúc 3 pha như sau:

 Pha I: được tạo từ 59 gốc acid amin chiếm khoảng 60% trọng lượng phân tử fibroin :

Gly_Ala_Gly_Ala_Gly_[ Ser_Gly_ (Ala_Gly)2 ]8_Ser_Gly_Ala_Ala_Gly_Tyr

 Pha II: chiếm khoảng 30% trọng lượng phân tử fibroin được tạo nên bởi các gốc như alanine, glycine, valine, tyrosine của các octanpeptid hay tetrapeptid Chẳng hạn như:

Gly_Ala_Gly_Ala_ Gly_Ala_Gly_TyrGly_[ Gly3_Ala2_Val ]_Tyr

 Ở pha tinh thể: các đoạn mạch của chúng có độ định hướng cao hơn rất nhiều do chúng có chứa gốc acid amin alanine, glycin, serine như ở sơ đồ sau:

Vì nhánh của đoạn này rất ngắn và đơn giản nên chúng dễ nằm sát với nhau tạo thành một khối liên kết chặt chẽ gọi là cấu trúc vi thể Các mạch polypeptid của fibroin liên kết với nhau theo chiều ngang chủ yếu bằng lực liên kết hydro phát sinh ra giữa nhóm _CO_NH_ và lực liên kết Vanderwaals.

 Ở pha vô định hình: các đoạn mạch có cấu tạo từ những acid amin dicacboxylic, vì thế mạch polypeptid không thẳng, vả lại chúng có nhiều nhánh nên tất nhiên chúng khó nằm sát với nhau và kém định hướng Sự mềm dẻo của tơ là nhờ vào lực liên kết Vanderwaals giữa các cấu trúc gấp nếp β

Như vậy ở những định hướng của tơ, mạch polypeptid chứa chủ yếu nhóm hydroxyl Còn các nhóm chức như cacboxyl, phenol và amin thì có chủ yếu ở phần vô định hình của fibroin

Hình 1.7 Sơ dồ sắp xếp các mạch polypeptid của fibroin

a_ phần vi tinh thể

b_ phần vô định hình

1.1.3.4 Tính chất hóa học của fibroin

Fibroin không hòa tan trong rượu etylic, ete etylic, ete dầu hỏa, sunfua cacbon và các dung môi hữu cơ khác Thực tế, fibroin không có hoà tan trong nước nhưng không thể xem nước là chất trơ đối với fibroin vì khi tiếp xúc với nước thì fibroin sẽ hút một lượng nước nhất định và bị trương nở khoảng 30 ÷40% Fibroin có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ và vô cơ mà cellulose bị hòa tan nhưng fibroin dễ hòa tan hơn nhiều và cũng hòa tan được nhiều dung môi hơn, có sự khác biệt như vậy là do fibroin của tơ không có cấu trúc mắt lưới

Tác dụng của acid:

Fibroin có khả năng hòa tan trong các acid như H2SO4, HCl, HNO3, HCOOH

Tác dụng của kiềm:

Fibroin hòa tan trong NaOH và KOH ở nhiệt độ cao Đặt biệt, trong dung dịch NaOH và glucose hoặc glycerin, sericin bị tách ra mà không hòa tan fibroin Ngoài ra, fibroin còn hòa tan tốt trong dung dịch amoniac lỏng Dưới tác dụng của kiềm, fibroin cũng như các protid khác dễ thủy phân cho các sản phẩm trung gian từ polypeptid đến peptid và các sản phẩm cuối cùng như acid amin Trong tất cả các loại kiềm thì NaOH có tác dụng fibroin là mạnh hơn cả, trong dung dịch NaOH 5 ÷7% Ở nhiệt độ sôi tơ sẽ bị phá hủy trong vòng vài phút

Tác dụng của muối:

Trong dung dịch muối loãng của NaCl, NaNO3, vẫn giữ nguyên tính chất của nó như ở trong nước, trong một số dung dịch đậm đặc như CaCl2, BaCl2, LiCl, LiBr, ZnCl2, Mg(NO)2, CaCS2, fibroin bị trương nở mạnh và tan dần cho dung dịch nhớt Muối được sử dụng phổ biến là LiBr, LiI, LiCNS và dung dịch ethylendiamine đồng CuEn Dung môi tốt nhất có lẽ là LiCNS vì dung dịch này trung tính và có khả năng hòa tan không gây ra liên kết peptid hydrosis, trong khi LiBr, LiI gây ra phản ứng acid mạnh trong dung dịch, còn CuEn gây kết tủa alkaline

Tác dụng của enzym:

Sericin có thể tách ra khỏi fibroin bằng enzym proteolytic; papain là một trong số các enzym thường dùng, nó làm suy biến sericin khi được ủ trong điều kiện pH và nhiệt độ thích hợp với các chất xúc tác như potassium cyanide hoặc acid ascorbic Có thể tách sericin ra khỏi fibroin bằng enzym là

do sợi fibroin rất bền với enzym tác dụng thủy phân Nhưng bên cạnh đó, enzym thuỷ phân lại dễ dàng tác dụng với fibroin hòa tan Sự trái ngược này có thể giải thích được là do độ kết tinh của fibroin dạng sợi rất cao, chúng ngăn cản sự thẩm thấu của các enzym cấu trúc của chúng Tuy nhiên, độ bền của các enzym thủy phân chỉ có tính chất tương đối khi nó chưa phá hủy bởi các tác nhân khác thì tuy hơi chậm nhưng vẫn bị thuỷ phân dưới tác dụng của các enzym đặc hiệu

Tác động của chất oxy hóa:

Fibroin rất nhạy cảm với các tác dụng của các chất chống oxy hóa Chẳng hạn, khi gia công lâu trong dung dịch HMnO4 ở nhiệt độ cao, thì nó sẽ

bị đứt mạch tạo thành amoniac, acid oxalic, các acid mạch thẳng (acid formic, acid caproic) và các acid mạch vòng như acid benzoic Trong điều kiện dịu hơn, tuy không xảy ra các biến đổi sâu sắc như vậy nhưng chất oxy hóa nhóm rượu bậc nhất hoặc làm biến mất các nhóm amin

1.1.4 Hóa học sericin [7], [8]

 Sericin là thành phần protein thiên nhiên có trong tằm ít được nghiên cứu Cũng giống như fibroin khối lượng phân tử của chúng có một khoảng giới hạn rộng tùy thuộc vào giống tằm và phương pháp tách Nói chung, sericin có thành phần như sau:

 Theo Mosher sericin có thể chia nhỏ thành 3 thành phần riêng biệt và chúng phân biệt với nhau bởi tính tan được, khả năng kháng enzym và khả năng chuyển thể thành dầu hay chất béo

 Sericin A hòa tan dễ dàng trong nước nóng và hòa tan một phần trong nước lạnh Enzym proteolytic thủy phân nó một cách dễ dàng và acid hay kiềm biến đổi sericin thành pepton Sericin cũng không dễ dàng chuyển thành dầu hay chất béo và dễ bắt màu khi nhuộm

 Sericin B khó hòa tan hơn trong nước sôi và chống lại sự thủy phân của enzym proteolytic Khi đốt nóng nước lên khoảng 24o F dưới áp suất thấp thì những phần tử nhỏ này sẽ mềm ra và keo trở lại Sericin B dễ chuyển thành dầu và chất béo Trong khi nhuộm, sericin B hiện trong dung dịch nước sau khi nhuộm Acid và kiềm có thể chuyển những phần nhỏ sericin B này thành sericin A

 Sericin C là thường ở trong cùng của keo tơ, không hòa tan trong các dung môi thông thường đặc biệt chống chịu lại với enzym và kém chuyển thành dịch

1.1.4.1 Khối lượng phân tử sericin

Sprague đã công bố một dãy trọng lượng phân tử từ 20.000 ÷200.000Da của các polypeptid khác nhau chiết từ vùng phía trước của khu vực trung tâm Sprague cho rằng sericin gồm ít nhất 3 polypeptid có trọng lượng phân tử sericin là 130.000÷220.000Da

Kết quả nghiên cứu khác của Gamo cho thấy các giá trị về trọng lượng phân tử sericin là 80.000÷310.000Da cho 5 polypeptide được tiết ra ở 5 vùng của tuyến

tơ Mặc dầu acid amin phân tích trên các chuỗi khác nhau là tương tự nhau (kết quả tính toán trên tất cả toàn bộ sericin) nhưng chúng vẫn không liên hệ rõ ràng đến các thành phần acid amin của các bộ phận của sericin có trong kén đã được hòa tan trong nước nóng

1.1.4.2 Thành phần acid amin của sericin

 Sericin là một loại keo protein, chiếm khoảng 25% trọng lượng kén, hòa tan được trong nước nóng Cũng giống như fibroin, thành phần hóa học của sericin gồm đa số các acid amin phân tử nhỏ như glycine, alanine, tyosine…

 Thành phần acid amin của sericin tơ tằm được xác định trong bảng sau:

Bảng 1.2 Thành phần acidamin trong sericin [số gốc/1000gốc]

Thành phần các acidamin B.Mori A.pernyi A.mylittaA.tussah

1.1.4.3 Các tính chất của sericin

 Sericin không tan trong rượu, ete, aceton, xăng, và các dung môi tương tự khác, sericin hòa tan được trong nước, trong dung dịch acid và trong kiềm Khác với fibroin, sericin có khả năng hòa tan được trong nước là do cấu tạo hóa học của chúng Hàm lượng các nhóm có cực và các nhóm có khả năng hydrat hóa cao, các mạch polypepit sắp xếp kém chặt chẽ, lực liên kết giữa chúng yếu, độ hoà tan của sericin trong nước phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Ở nhiệt độ nhỏ hơn 90oC nó mới bị trương nở và bắt đầu bị hòa tan ở nhiệt độ trên 90oC Ở

100oC sericin có thể bị tách hoàn toàn ra khỏi tơ, nhưng phải gia công liên tiếp nhiều giờ tại nhiệt độ này Tốc độ khử keo (tách sericin) sẽ tăng lên rất nhanh nếu nâng nhiệt độ lên trên 100oC chẳng hạn sericin sẽ bị khử hoàn toàn khỏi tơ trong vòng một giờ ở 110oC

 Khác với fibroin, sericin không bền dưới tác dụng của các enzym thủy phân Sericin có đặc điểm là rất dễ bị keo hóa, mức độ keo hóa càng mạnh khi dung dịch chứa nồng độ sericin càng cao Mặc dầu lưỡng tính, nhưng do tính acid trội hơn hẳn (pI=4) nên giống acid yếu do đó sericin rất dễ hòa tan trong các dung dịch có tính kiềm

1.2 MÀNG POLYME SINH HỌC

1.2.1 Một số khái niệm

 Vật liệu sinh học (Biomaterial): là các chất liệu được sử dụng để tạo các công cụ y tế hoặc sản phẩm chữa bệnh, cấy ghép

 Màng polyme sinh học là các vật liệu sinh học do các phần tử sinh học sắp xếp một cách có trật tự tạo thành mạng lưới ổn định và vững chắc

 Vật liệu tạo màng: polysaccarit, protein

1.2.2 Một số vật liệu tạo màng [2], [3]

1.2.2.1 Collagen

 Collagen là một loại protein có trong cơ thể người và động vật chiếm số lượng nhiều nhất (20-30% tổng lượng protein) Collagen là thành phần của mô liên kết, hỗ trợ về cấu trúc da, xương, gân, dây chằng và mạch máu Chúng đóng vai trò trung tâm trong cấu trúc ma trận cao phân tử là chất keo giữ các mô liên kết lại với nhau

 Collagen còn tham gia vào nhiều cơ quan trong cơ thể như giác mạc hoặc các trung tâm thần kinh của não… Khi bị thương hoặc khi về già, collagen bắt đầu yếu đi, mất dần tính đàn hồi và dễ bị mềm nhũn

 Nguồn khai thác: ngày nay việc khai thác collagen được tiến hành bằng cách chiết các phân tử collagen từ da bò

 Cấu tạo: collagen là một protein cấu tạo từ các acid amin có công thức bậc I sau:

– Gly – Pro – R – Gly – OPro – R – Gly – Pro – R

R: là các acid amin khác

 Các ứng dụng của các sản phẩm có nguồn gốc collagen đang được nghiên cừu và ứng dụng:

 Kính tiếp xúc mềm (contachen): được dùng để chữa tật cận thị, viễn thị và loạn thị Kính tiếp xúc mềm này sẽ giúp mắt đạt được thị lực 20/20

 Ghép mạch máu: dùng các vật liệu có nguồn gốc sinh học như collagen trong việc cấy ghép vi mạch máu chữa các bệnh phình mạch máu, hẹp mạch, máu đóng cục trong mạch

 Phương pháp chữa bệnh chống ung thư: sử dụng các sản phẩm collagen từ bò được tạo ra để đưa vào tác nhân chống ung thư vào hệ tuần hoàn đến các khối u Tại đây chúng làm tắt nghẽn các mạch máu chảy vào nuôi khối u

vì vâïy sẽ cắt nguồn nuôi dưỡng chúng phát triển

 Các thành phần thay thế trong tai: một họ các ống lọc máu bằng oxi trên

cơ sở collagen có khuynh hướng làm giảm sự tích lũy chất lỏng kinh niên trong tai Điều này đặc biệt quan trọng cho trẻ em hay bị mủ trong tai và nhiễm trùng Các ống bằng collagen này sau đó sẽ bị cơ thể hấp thu, không cần phải lấy ra

1.2.2.2 Chitin

 Chitin là một loại polysacharit được tìm nhiều thấy trong vỏ tôm cua, vỏ các loại côn trùng, thành tế bào vi khuẩn và cả da người Trữ lượng chitin trong thiên nhiên chỉ đứng sau xenllulo, ước tính 100 tỉ tấn /năm Hằng năm thế giới tiêu thụ khoảng 1130÷1300 tấn chitin

 Chitin là tên gọi của chuỗi poly N_acetyl_D_glucosmin (NADG) NADG là thành phần của mô, da, rất cần thiết cho quá trình làm lành vết thương Khả năng này được bác sĩ J F Prudden (Mỹ) phát hiện Một trong những ứng dụng quan trọng của chitin là làm màng sinh học chữa vết bỏng Chitin đã được thương mại hóa trên thị trường quốc tế, được sản xuất ở Nhật Các đặc tính của màng Chitin:

 Bảo vệ vết thương, có thể thẩm thấu khí và hơi nước, chống nhiễm khuẩn

 Cung cấp dần NADG để gắn liền vết thương không chỉ chữa bỏng mà cho cả chỉnh hình, mất da và viêm loét lâu ngày

 Màng Chitin có khả năng hòa hợp sinh học cao và thúc đẩy việc gắn liền vết thương Sau hai tuần, màng Chitin ở vết thương bị phân hủy sinh học hoàn toàn

 Màng Chitin rất hữu ích trong việc chữa các vết thương diện rộng và tương đối sâu như bỏng toàn thân trên 50% diện tích da, làm lành các vết thương hoại tử da Mặt khác, màng Chitin làm tăng độ bền các vết thương, vết thương không bị co kéo, không tạo ra sẹo lồi, không nhăn nhúm, nhiều trường hợp không hoặc ít để lại sẹo lồi nhìn thấy được

1.2.2.3 Chitosan

 Lần đầu tiên Chitosan được Rouget phát hiện vào năm 1859 khi đun sôi chitin với dung dịch KOH đặc

 Về phương diện hóa học, Chitosan chỉ là một dẫn xuất của Chitin khi mức độ acetyl hóa tiến gần đến 0

 Chitosan thường ở dạng rắn hay bột, màu trắng kem, không mùi, không vị Chitosan không tan trong nước, không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ, không tan trong kiềm, tan một phần trong acid Trong chuỗi mắc xích phân tử Chitosan có chứa nhóm amin nên nó là một polyamin Chitosan còn được xem là như là một polyme catinit có khả năng bám dính vào bề mặt tích điện âm và khả năng tạo phức với nhiều ion kim loại

 Các ứng dụng của chitosan:

 Trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm, Chitosan được dùng làm chất phụ gia, làm tá dược độn, tá dược chính, chất tạo màng, viêm nang mềm và cứng, chất mang sinh học dẫn thuốc do một số tính ưu việt của nó

 Thuốc kem chữa bỏng Chitosan: không gây tác dụng phụ, không gây dị ứng, có khả năng kích thích tế bào biểu mô để tạo điều kiện cho vết thương liền nhanh, không bị nhiễm trùng, không để lại sẹo

 Bảo vệ rau quả tươi: chitosan tạo màng polyme sinh học bao bọc quả để làm giảm tốc độ mất nước, ngăn cản vi khuẩn và nấm xâm nhập, hạn chế quá trình hô hấp làm quả chín chậm, ít bị nhăn héo, lâu bị mất màu và hương

vị Chitosan còn dùng để làm tăng khả năng kết tủa thịt quả và những chất vô định hình trong nước quả ép, giúp việc lọc bỏ tủa dễ hơn

 Ngoài ra Chitosan còn có ứng dụng trong các lĩnh vực khác như hấp thu kim loại, xử lý nước thải…

1.2.3 Một số nghiên cứu và ứng dụng của màng polyme sinh học hiện

nay [2], [3]

1.2.3.1 Trong công nghiệp

 Môi trường ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng mà trong đó có nguyên nhân không nhỏ là do bao nilon không phân hủy được Ở Việt Nam, năm 1990 mức tiêu thụ nhựa đạt 0,5kg/người, hiện nay mỗi năm cả nước tiêu thụ khoảng

800000 tấn chất dẻo các loại, dự kiến đến năm 2005 lên tới 1,3 triệu tấn Do đó yêu cầu cấp bách hiện nay là tìm được loại vật liệu thay thế các loại polyme thay thế thông thường, vừa giữ được tính chất cần thiết của polyme vừa có khả năng phân hủy được

 Với bước đầu nghiên cứu, tiến sĩ Phạm Ngọc Lân và nhóm nghiên cứu polymer (Đại Học Hà Nội) đã triển khai đề tài cấp bộ “Chế tạo polymer tự phân hủy sử dụng làm bao bì và màng che phủ cho đất công nghiệp”

 Những nghiên cứu này cho phép tạo ra loại polymer có các mầm phân hủy tinh bột Trong phương pháp này, tinh bột được biến tính để tăng tính kỵ nước, sau đó nghiền cán trộn với polyetylen, chất antioxylant, đưa độ ẩm của chúng thấp hơn 1% để tạo mầm phân hủy Khi màng này được chôn xuống đất, vi sinh vật sẽ tấn công tinh bột, antioxydant sẽ phản ứng với muối kim loại có trong đất tạo ra các peroxyt phá hủy mạch polymer, quá trình này tiếp tục cho đến khi polymer bị phân hủy hoàn toàn Tinh bột chế tạo polymer tự phân hủy có thể từ ngô khoai sắn gạo có sẵn ở Việt Nam Nếu chế tạo thành công, polymer tự phân hủy từ tinh bột có giá thành rẻ, tính khả thi cao Trong giai đoạn thử nghiệm, tiến sĩ Lân cho biết: polymer tự phân huỷ từ tinh bột có giá thành đắt hơn sản phẩm thông thường khoảng 5%, một mức giá mà người tiêu dùng Việt Nam có thể chấp nhận được so với tính năng sản phẩm

 Ứùng dụng trong công nghệ thực phẩm: dùng chủ yếu trong lĩnh vực bao bì thực phẩm chẳng hạn dùng làm màng phim bao bọc quanh viên kẹo (vừa có khả năng bảo vệ các đặc tính đặc trưng của kẹo vừa có thể ăn được)

1.2.3.2 Trong y học

 Sản xuất màng da nhân tạo chữa các tổn thương về da từ chitin Sản phẩm này có tên là Vinachitin Đây là công trình của nhóm các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng tạo màng chitin từ nguyên liệu là vỏ tôm cua thông qua phương pháp lên men Lactobacilus acidophilus

 Màng da nhân tạo có tác dụng che phủ tạm thời các vết thương, giảm sự mất nước và giúp lên nhanh da non, có khả năng thấm khí là tự bong ra khi da mới được tạo thành

1.2.4 Khả năng ứng dụng màng polymer sinh học [6]

1.2.4.1 Màng da nhân tạo

a) Da

 Da là một màng mô dai, mềm dẻo che phủ toàn bộ cơ thể người, một cơ quan có diện tích rộng nhất cơ thể (ở trẻ sơ sinh khoảng 0,25m2, ở người lớn khoảng 1,6÷2,0m2) Da so với trọng lượng cơ thể chiếm 4÷6%, nếu kể lớp mỡ dưới da thì chiếm tới 16÷17,77%

 Da là tổ chức khá phức tạp, một khối tổng hợp có 3 lớp: biểu bì, trung

bì, hạ bì kết hợp chặt chẽ với nhau thành các tổ chức bao phủ mang tính chun dãn (về các phía) – nhớt – tạo hình, có các lớp biểu mô, các mô liên kết, các tuyến, lông và gốc lông, thớ cơ, đầu tận cùng các dây thần kinh, lưới mạch máu và bạch mạch Các tế bào biểu bì luôn được thay thế hoàn toàn trong

4÷6 tuần như thế da là một trong các loại mô luôn sinh trưởng nhanh của cơ thể

 Chiều dày của da: ở mỗi giới, mỗi tuổi và vị trí trên cơ thể chiều dày của da có khác nhau Da mỏng hơn ở nữ giới và trẻ em So với nam thì da nữ mỏng hơn 12%

1 Lớp biểu bì

 Là lớp ngoài cùng của da dày 0,07÷1,8 mm, gồm nhiều lớp tế bào biểu mô xếp dính chặt chẽ với nhau, tối thiểu gồm hai lớp tế bào (lớp mầm và lớp phủ ngoài sừng hóa), ở nhiều vị trí trên cơ thể, chỗ lớp da dày, lớp biểu bì gồm tới 6 lớp: lớp mầm, lớp tế bào gai, lớp tế bào hạt chất sừng Keratohyalin, lớp tế bào trong suốt, lớp tế bào sừng, lớp tế bào sừng rụng thành vảy

 Lớp biểu bì có nhiệm vụ: bảo vệ cơ thể chống ảnh hưởng có hại của môi trường bên ngoài và chống sự xâm nhập của vi khuẩn nhờ lớp tế bào sừng tạo thành một hàng rào sinh học, hàng rào năng lượng, cách điện và cách nhiệt, giữ nước cho cơ thể Nếu mất lớp biểu bì thì mất nước qua da sẽ tăng 10÷20 lần hơn bình thường, phần còn lại của da như một màng bán thấm, vi khuẩn, chất độc xâm nhập vào dễ dàng, thoát mất huyết tương và dịch thể, điện giải và các chất dinh dưỡng Lớp biểu bì nhận các cảm giác đau nhờ đó tránh được các vật nguy hại cho cơ thể

2 Lớp trung bì

Tùy vị trí trên cơ thể, chiều dày của trung bì thường lớn từ 15÷40 lần chiều dày của biểu bì Trung bì là một lớp xơ rất chắc được cấu tạo về mô học bởi chất nền tảng (chất gian bào), các tế bào liên kết, bó sợi liên kết và sợi đàn hồi, các tuyến ống là nang lông, cơ dựng lông, mạch máu, thần kinh Trung bì gồm hai lớp: lớp nông (lớp nhú) và lớp sâu (lớp lưới) Vùng tiếp giữa lớp biểu bì và trung bì có màng nền

3 Lớp hạ bì

Là một lớp mô liên kết – mỡ Các thành phần phụ của biểu bì như gốc lông, tuyến mồ hôi nằm cả ở hạ bì Mạng lưới mạch – thần kinh của da cũng xuất phát từ hạ bì

 Các điểm nêu trên về giải phẫu đi đến kết luận:

Da là một “cơ quan” rất cần thiết cho hoạt đông sống của cơ thể, là một

”tạng” tích cực của cơ thể có mối quan hệ đến chức năng của các hệ cơ quan và các tạng khác trong cơ thể, da đóng góp trong việc tạo hình và thẩm mỹ con người

Da có chức năng bảo vệ cơ thể chống các yếu tố cơ, lý, hóa, sinh có hại của môi trường tác động tới cơ thể

b) Cơ chế lành vết thương

Khi da bị thương, các tế bào biểu bì sẽ sinh sản và bò dần ra từ mép da lành che phủ kín dần lớp mô hạt tân tạo và bảo đảm cho sự liền vết thương hoàn thành Quá trình này đòi hỏi một khoảng thời gian khá lâu tùy thuộc vào độ sâu rộng của vết thương

c) Vai trò của màng sinh học

 Trong quá trình phục hồi như vậy, vết thương cần phải được che phủ, tránh bụi và tránh vi sinh vật Sự phát triển của các vật liệu băng bó sinh học và tổng hợp bắt đầu nhận ra rằng các vết thương cần một hàng rào bảo vệ chống sự nhiễm trùng và mất nước, tạo sự định hướng tế bào trong việc làm lành da Từ đó người ta nghĩ tới việc các miếng băng dính hay các loại da thay thế tạm thời

 Các loại da thay thế:

 Tạm thời: vật liệu tạo ra để đặt lên vết thương còn mới và để nó tự liền

 Bán thường xuyên: vật liệu gắn chặt vào vết thương và từ từ được thay thế bởi da do cơ thể tổng hợp

 Lâu dài: vật liệu được tạo ra từ sự hợp nhất của các nguyên liệu tương tự da hay biểu bì hoặc cả hai và thay thế lâu dài

Đối với các vết thương diện rộng, nơi da khó liền miệng và dễ bị lở loét, cần thiết phải có lớp da thay thế Đây là nhân tố thúc đẩy sự phát triển của da thay thế lâu dài

 Các giải pháp sinh học đã được thực hiện:

 Da tử thi: phù hợp để làm da tạm thời nhưng dần mất đi tính năng hàng rào bảo vệ cho nó Ngoài ra, loại da này không phải luôn có sẵn và không hiệu quả đối với vết thương sâu

 Da động vật: dễ khai thác hơn, tuy nhiên do không được cơ thể nuôi dưỡng nên dễ hủy và tróc ra khỏi vết thương

 Do hạn chế của da sinh học có sẵn nên việc phát triển công nghệ da nhân tạo trở nên cần thiết, sử dụng các thành phần linh hoạt, tổng hợp và kết hợp với nhau

 12 chỉ tiêu yêu cầu đối với một vật liệu sinh học tạm thời phủ vết thương, vết bỏng gồm:

 Bám nhanh vào diện tích tổn khuyết, mô hạt

 Giảm sự mất nước (bốc hơi nước) của vết thương, vết bỏng

 Giảm sự tiết dịch, mất nước, mất điện giải và protein qua vết thương, vết bỏng

 Giảm sự đau đớn tại vết thương, vết bỏng

 Che phủ tạm thời một số mô sâu bị lộ ra như gân, dây thần kinh

 Hạn chế sự sinh trưởng của vi khuẩn tại vết thương đó

 Kích thích sự liền sẹo vết bỏng tại trung bì

 Màng sinh học có thuộc tính mềm dẻo, dễ gấp lại được trong động tác chi

 Được khử khuẩn và vô khuẩn không mang nguồn bệnh đến cho vết thương, không gây độc, không gây kháng nguyên

 Không đắt tiền

 Dễ cung cấp

 Bảo quản được lâu, có dạng sản phẩm dễ nhìn

1.2.4.2 Khả năng thay thế giác mạc

Giác mạc là 16 của vỏ ngoài nhãn cầu, nó có tính trong suốt vừa có tác dụng

cơ học, ngăn giữa mắt với môi trường bên ngoài vừa có tác dụng cho phép thẩm thấu trao đổi chất giữa bề mặt môi trường bên trong nhãn cầu Cùng với sự phát triển của thị giác, giác mạc được biệt hóa về cấu trúc và chức năng để có những đặc tính quang học cần thiết Đó là một cấu trúc vô mạch, sống được nhờ vào oxy ngoài môi trường thông qua bề mặt phía sau của giác mạc Các cấu trúc lân cận của giác mạc như kết mạc và tuyến lệ cũng tham gia bảo vệ giác mạc và đảm bảo duy trì các đặc tính quang học thông qua việc tiết chất bôi trơn lên bề mặt giác mạc Giác mạc có khả năng chống đỡ cơ học nhờ vào cấu trúc sợi tạo keo của nó Chất tạo keo ở giác mạc khác với da ở chỗ phải có những cơ chế đặc biệt để điều hòa lượng nước nhằm đảm bảo tính trong suốt

Giác mạc có bề dày khoảng 0,8_0,9 mm ở vùng trung tâm và khoảng 1,1mm ở vùng ngoại vi Từ trước ra sau, giác mạc được cấu tạo từ 5 lớp: biểu mô trước, màng Bowman, lớp đệm, màng Descement và biểu mô sau

Collagen chiếm 71% trọng lượng khô của giác mạc, là những cấu trúc đại

thường chất tiền collagen và collagen ít được tiết chế nhưng ở giai đoạn đầu của quá trình lành vết thương giác mạc, quá trình tiết chế collagen có thể tăng lên nhiều.

Khi mắt bị tổn thương, giác mạc sẽ bị ảnh hưởng đầu tiên làm giảm thị lực của mắt và có thể dẫn tới mù lòa Trong trường hợp đó, người ta dùng cách thay giác mạc khác, thường lấy từ người chết Hiện nay, người ta đã tìm cách tạo giác mạc nhân tạo và collagen, fibroin là nguyên liệu rất được quan tâm nhờ vào khả năng tạo màng rất tốt của chúng và khả năng tương thích cao với cơ thể người

Chương 2.

NGUYÊN LIỆU

& PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 NGUYÊN LIỆU

Tằm: nguồn cung cấp từ Lâm Đồng, Đồng Nai

2.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Khúc xạ kế cầm tay ATAGO, Japan

Cân phân tích 4 số lẻ

Nhớt kế

Máy đo pH MP220 METTLER TOLENDO, England

Máy khuấy từ Bibby, England

Máy ly tâm HETTICH ZENTRIFUGEN EBA21, Germany

Máy đo quang phổ hấp thu SPECTRONIC GENESYS 8, UV_VIS, England.Máy đo độ bền cơ học TENSILON

Máy đo chiều dày

Máy đo độ ẩm SCALTEC, Germany

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.3.1 Sơ đồ nghiên cứu

Nguyên liệu

Chọn phương pháp xử lý

Xác định các thông số khi tạo màng

Kiểm tra tính chất của màng sau khi vô khuẩn

Xác định các tính chất của màng

Chọn phương pháp vô khuẩn

thấu thẩm năng khả

suốt truyền độ

lý cơ chất tính

màng dày bề



 suốt truyền độ lý cơ chất tính







dịch dung tạo fibroin tách

2.3.2 Thuyết minh nội dung nghiên cứu

2.3.2.1 Bề dày màng

Bề dày màng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 thể tích dung dịch đem tạo màng

 diện tích tạo màng

 nồng độ của dung dịch

 độ hòa tan của fibroin trong dung dịch

Màng sinh học được tạo ra trên khuôn nhựa có diện tích 6,1cm×10cm

Bề dày màng được xác định bằng đồng hồ đo chiều dày của Khoa Công nghệ vật liệu Ta đo ở khoảng nhiều vị trí, mỗi vị trí cách nhau khoảng 1cm Sau đó xác định được bề dày tính toán bằng trung bình các lần đó

Sơ đồ bố trí các điểm đo bề dày màng:

2.3.2.2 Độ bền cơ học

 Độ bền cơ học là một tính chất quan trọng của màng vì căn cứ vào độ bền mới có thể xét tới khả năng sử dụng màng Việc xác định độ bền cơ học được đo trên máy đo Tensilon chuyên dùng để đo các loại nhựa và cao su của Khoa Công nghệ vật liệu

 Nguyên tắc: dùng lực kéo để xác định độ bền kéo, độ dãn dài và ứng suất

 Màng được dập khuôn theo hình quả tạ có kích thước như sau:

 Thực hiện: cố định hai đầu vào ngàm kẹp và cho chúng di chuyển ra xa dần với tốc độ kéo là 10mm/phút và cho đến khi đứt, theo biểu đồ trên máy ta có thể xác định được độ dãn dài và lực kéo đứt.

 Lực kéo đứt: là lực tối đa mà màng có thể chịu được (N)

 Độ dãn dài D của màng được tính bằng đơn vị % theo công thức: D(%) = l−l l ×100%

oo

Với: lo là độ dài ban đầu của màng

l là độ dài lúc kéo đứt

Với độ dài ban đầu của màng là 32mm

(l-lo) là khoảng biến dạng của màng lúc đứt

 Ứng suất: là lực tác động trên một đơn vị diện tích màng (N/mm2) Từ lực kéo đứt và độ dày của màng thì ta có thể xác định được ứng suất

Công thức: σ dF4

×

= (N/mm2)Trong đó:

σ: ứng suất (N/mm2)

F: là lực kéo đứt (N)

d: là bề dày của màng đem đi kéo đứt (mm)

d×4: là diện tích chịu lực khi ta thực hiện lực kéo (mm2)

 Độ bền cơ học bao gồm cả lực kéo và ứng suất phụ thuộc nhiều vào độ ẩm

Do vậy không thể so sánh các mẫu khác nhau nhiều nếu chúng khác nhau nhiều về độ ẩm Ở đây, thực hiện các mẫu có độ ẩm nằm trong giới hạn là khoảng 20_25%

2.3.2.3 Độ truyền suốt

 Nguyên tắc:

Độ truyền suốt T (transmitance) được xác định theo định luật Lambert_Beer: Chiếu bức xạ đơn sắc λ1 có cường độ Io qua dung dịch khảo sát Tại bề mặt cuvet, một phần bức xạ bị phản xạ lại có cường độ IR, một phần bức xạ bị hấp thu có cường độ IA, bức xạ sau khi ra khỏi dung dịch có cường độ IT Do đó:

IO = IR + IA + IT

Chọn cuvét có bề mặt nhẵn nên có thể xem IR ~ 0, do đó:

IO = IA + IT

Độ truyền suốt: T = IT/IO hay T% = IT/IO *100

Khi đo độ truyền suốt ta có thể biết được mức độ ánh sáng đi qua màng

 Thực hiện:

Cắt các mẫu vừa với kích thước của cuvet, sau đó áp sát vào bề mặt có ánh sáng truyền qua Thực hiện đo ở nhiều bước sóng từ 400 ÷800nm Độ nhảy của bước sóng là 10nm

2.3.2.4 Khả năng thẩm thấu

Thể tích dung dịch muối đi qua màng

Độ Brix của dung dịch muối trước và sau khi chảy qua màng

Thời gian dung dịch chảy qua màng

2.3.2.5 Cấu trúc vi thể:

Cấu trúc vi thể là một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá chất lượng của màng Màng có cấu trúc đồng nhất, đều đặn chứng tỏ sự liên kết giữa các phân tử càng chặt chẽ, màng càng chắc chắn và có khả năng sử dụng cao

Cấu trúc vi thể của màng được chụp trên máy đo chuyên dụng của bệnh viện Chợ Rẫy theo phương pháp đo mô nhuộm màu HE

2.4 SƠ ĐỒ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH

2.4.1 Sơ đồ quy trình

Màn

g fibroin

2.4.2 Thuyết minh quy trình

2.4.2.1 Xử lý nguyên liệu

Giống tằm được cung cấp từ nguồn là công ty tơ tằm dâu Bảo Lộc, Lâm Đồng Tằm được chọn là tằm ăn rỗi ngày thứ 5 (tức là giai đoạn gần lên né để tạo kén) để thu được khối lượng tơ là nhiều nhất và chất lượng nhất

Lấy tuyến tơ ở phần bụng dưới của tằm

Ngâm tuyến tơ trong nước khoảng 5 phút để tránh tình trạng chúng không bị oxy hóa đồng thời ta có thể tách được màng bao bên ngoài

Màng bao này là loại màng bao không định hướng, nếu không loại bỏ thì khi

ta xử lý dung dịch fibroin ở giai đoạn tiếp theo thì nó sẽ cản trở nhiều trong quá trình hòa tan cộng với việc dung dịch hòa tan không có tính chất đồng nhất, ảnh hưởng tới quá trình lọc tách fibroin sau này

2.4.2.2 Hòa tan

Nguyên tắc: fibroin là một protein nên mối liên kết chủ yếu trong chúng là liến kết peptit Vì vậy ta có thể sử dụng nhiều tác nhân để hòa tan chúng như: acid, kiềm, hoặc enzym protease… để cắt đứt mối liên kết này Tuy nhiên do tính chất của fibroin là kháng enzym nên dùng tác nhân là enzym thì không hiệu quả Khi chọn dung môi hòa tan tuyến tơ ta phải lưu ý đến khả năng thủy phân của dung môi hoà tan Ở đây ta dùng dung môi hòa tan là NH4OH Chọn được dung môi hòa tan là yếu tố cần thiết nhưng quan trọng hơn nữa là các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hòa tan là tỷ lệ giữa các thành phần khi hòa tan, nồng độ của dung môi và thể tích mà ta cần đổ khuôn Kết quả là khả năng hòa tan và cắt đứt mạch liên kết của phân tử fibroin là vừa đủ vì độ bền chắc của màng còn phụ thuộc các mối liên kết giữa các phân tử fibroin

Dung dịch thu được sau khi thủy phân có màu vàng do một số gốc thơm của các acid amin như tyrosin, tryptophan, bị oxy hóa gây màu Độ đậm nhạt của màu phụ thuộc vào nồng độ dung dịch và lượng fibroin thêm vào Nếu lượng fibroin thêm vào nhiều thì màu vàng càng nhiều

2.1.2.3 Chuẩn bị dung dịch tạo màng

Mục đích là ta loại bỏ những phần không tan trong dung dịch fibroin trong suốt và đồng nhất Tuy phần định hướng là màng bao tuyến tơ đã bị bóc đi nhưng lớp thứ hai của tuyến tơ cũng có tính định hướng kém, chính lớp này không hoà tan và gây ra những lợn cợn trong dung dịch do đó ly tâm để tách lớp này là điều cần thiết cho chất lượng của polyme sau này

2.1.2.4 Tạo màng

Ta lấy một lượng dung dịch sau khi hòa tan ở một nồng độ xác định nào đó và đem đổ trên khuôn nhựa có diện tích là 6,1×10 cm2 Để tạo được màng có bề dày của màng tương đối đồng đều thì ta cần phải có những yêu cầu sau:

 Mặt phẳng đem đổ khuôn phải tương đối bằng phẳng và không bị trầy xước

 Ta nên để khuôn trên khu vực tương đối phẳng để khuôn không bị nghiêng để bề dày tương đối dồng nhất

 Khuôn không nên có gờ bao xung quanh vì dung dịch đem tạo màng rất nhớt, có sức căng bề mặt lớn, tại những chỗ có gờ thì tập trung nhiều dịch làm sai lệch đi kết quả

Màng khô nhanh hay chậm tùy thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau, thời gian làm khô khảng 3_8 h Sau khi làm khô ta nên bóc màng ra khỏi khuôn và bảo quản trong túi nhựa

2.1.2.5 Nghiên cứu chọn điều kiện hòa tan fibroin

Theo như kết quả nghiên cứu trước thì ta đã xác định được tỷ lệ hoà tan giữa fibroin và dung môi hòa tan tốt nhất là 1: 2,5 Dung môi hòa tan được dùng là NH4-

OH Tuy nhiên việc tạo thành màng còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như:

 Tỷ lệ hòa tan giữa dung môi và fibroin

 Nồng độ dung dịch đem đi hòa tan

 Độ hòa tan của fibroin trong dịch đem đi tạo màng

 Thể tích dung dịch đem đi tạo khuôn

2.1.2.6 Khảo sát điều kiện làm vô khuẩn màng sinh học

Trước khi màng được áp dụng trong y học nói chung và đặc biệt là đắp lên vết thương bỏng nói riêng thì ta phải loại bỏ hết những vi sinh vật để hạn chế phần nào các vi sinh vật tại nơi có vết thương Có 3 phương pháp xử lý mà ta cần khảo sát:

Xử lý bằng cồn 70o

Xử lý bằng hơi nước

Xử lý bằng tia tử ngoại

Chương 3.

KẾT QUẢ & BÀN LUẬN

Theo như các nghiên cứu trước thì ta đã xác định được một số thông số khi hòa tan fibroin:

Dung môi dùng để hòa tan là NH4OH

Tỷ lệ hòa tan giữa dung môi và tuyến tơ; fibroin: dung dịch NH4OH là 1: 2,5

3.1 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOÀ TAN CỦA FIBROIN

 Sự biến đổi nồng độ fibroin hòa tan và pH của dung dịch theo thời gian xử lý Bảng 3.1 Sự biến đổi pH theo độ fibroin hoà tan trong dung dịch

 Ban đầu lượng fibroin tan nhanh vào dung dịch sau đó giảm dần vì lượng fibroin gần đạt tới điểm hòa tan bão hòa Dung dịch hòa tan cuối cùng đạt được là

8 Brix rất nhầy Trong dung dịch có cả những thành phần fibroin không tan lẫn vào và khó tách hết được chúng bằng phương pháp ly tâm Sau khi không tan được nữa dung dịch bắt đầu đóng rắn thành những thành phần nhỏ có màu trắng đục sau đó kết lại thành khối lớn hơn, cuối cùng toàn bộ khối fibroin hư hỏng

 Cùng một nồng độ fibroin (cùng độ Brix) thì thời gian hòa tan của tuyến tơ được quyết định bởi các yếu tố sau:

 Nồng độ của NH4OH:

Khi nồng độ càng cao thì khả năng chia cắt phân tử fibroin càng cao, dễ đạt tới điểm hòa tan cần thiết

 Khả năng tiếp xúc:

Như ta đã biết fibroin được lấy từ tuyến tơ ở dạng nhầy và dung môi hòa tan của tuyến tơ là NH4OH ở dạng lỏng Ở đây ta có thể coi là phản ứng giữa

2 pha, do vậy khả năng tiếp xúc giữa hai pha là rất quan trọng Nếu khi hòa tan ta không tác động vào yếu tố như khuấy thì ta phải cần một khoảng thời gian rất lớn là khoảng từ 8_10h mới đạt được độ hòa tan cần thiết Ở đây ta cần chế độ khuấy thích hợp

Khi ta để dung dịch NH4OH ở điều kiện bình thường, NH4OH có xu hướng bay hơi làm pH của dung dịch giảm Vì vậy khi ta tạo màng ở điều kiện bình thường, dùng dung môi là NH4OH để hòa tan thì theo thời gian pH càng giảm.

 Độ hoà tan fibroin trong dung dịch (độ Brix)

 Ở độ hòa tan là 7 Brix thì dung dịch đem tạo màng có pH nằm trong khoảng 7_8 Đây là pH có thể chấp nhận được cho việc ứng dụng màng vào trong các lĩnh vực y tế

3.2 KHẢO SÁT ĐỘ NHỚT CỦA DUNG DỊCH SAU KHI HÒA TAN

 Theo như chúng ta đã biết, mức độ thủy phân càng sâu sắc thì phân tử fibroin càng bị phân cắt nhiều, lúc này khối lượng phân tử trung bình của cả dung dịch thấp Nếu bị phân cắt nhiều quá thì các phân tử này rời rạc với nhau, không liên kết lại thành một mạng lưới đồng nhất do vậy dẫn tới lực kéo đứt và khả năng chịu lực của màng kém (ứng suất)

 Mức độ thủy phân được đánh giá dựa vào phân tử lượng trung bình của các phần tử có trong dung dịch, phân tử càng nhỏ thì mức độ thuỷ phân càng lớn

Theo nguyên tắc: khối lượng phân tử tỷ lệ thuận với độ nhớt của dung dịch, ta tiến hành đo độ nhớt của dung dịch có nồng độ fibroin hòa tan là 1Brix

 Sự biến đổi độ nhớt của dung dịch theo nồng độ của dung dịch:

Bảng 3.2: Sự thay đổi độ nhớt theo nồng độ của NH4OH ở độ hòa tan là 1Brix

 Qua bảng số liệu trên, càng khẳng định được rằng: khi nồng độ của NH4OH càng tăng thì mức độ thủy phân càng tăng làm cho khối lượng phân tử fibroin giảm xuống tức là phân tử fibroin bị chia cắt nhỏ nhiều hơn Khi bị thủy phân một cách sâu sắc thì sự liên kết giữa các phần tử càng bị yếu đi làm cho khả năng chịu lực của màng kém hẳn đi Vì vậy ta phải lựa chọn nồng độ thích hợp để khi thủy phân fibroin thì nó có tác dụng phân cắt một cách vừa đủ tạo thành những phần tử nhỏ hơn và chúng được liên kết chặt chẽ với nhau