Để khảo sát sự phân tán và khả năng tƣơng hợp của các pha PLA với CS khi có và không có các chất trợ tƣơng hợp, tiến hành chụp và quan sát ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) của các màng tổ hợp.
Hình 3.12 là ảnh FESEM của màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL. Ở màng vật liệu PLA/CS không sử dụng PCL, CS phân tán không đồng đều trong nền PLA với kích thƣớc hạt trong khoảng từ 50 nm đến 300 nm, cấu trúc màng không đồng nhất, PLA và CS tƣơng hợp kém với nhau. Khi sử dụng PCL, PLA và CS tƣơng hợp với nhau tốt hơn với kích thƣớc pha phân tán CS nhỏ hơn (10 - 250 nm), sự kết tụ của các hạt CS trong nền PLA giảm đáng kể. Điều này có thể giải thích bởi sự hình thành tƣơng tác nội phân tử giữa PLA và CS trong màng tổ hợp PLA/CS/PCL nhƣ đã đƣợc trình bày ở mục 3.1.2.2.
69
Hình 3.12. Ảnh FESEM của các màng tổ hợp PC và PLA/CS/PCL với các hàm lượng PCL khác nhau (PCL0, PCL2, PCL4, PCL6, PCL8, PCL10).
Hình 3.13 là ảnh FESEM của màng tổ hợp PLA/CS có và không có PEO. Có thể thấy màng tổ hợp PLA/CS không sử dụng PEO có cấu trúc không đồng nhất, PLA và CS tƣơng hợp kém với nhau, các pha PLA và CS phân tách nhau, đồng thời các hạt CS có xu hƣớng kết tụ với nhau. Quan sát ảnh FESEM của các màng tổ hợp PLA/CS với các hàm lƣợng PEO khác nhau ta thấy nhờ chất tƣơng hợp PEO, sự phân tán của CS vào PLA đƣợc cải thiện rõ rệt, CS phân tán đồng đều hơn và tƣơng tác với nền PLA tốt hơn, sự kết tụ các hạt CS trong nền PLA giảm đáng kể.
70
Hình 3.13. Ảnh FESEM của màng tổ hợp PC và PLA/CS/PEO (PCO2, PCO6, PCO10).
Tƣơng tự, khi đƣa 2 – 10% chất tƣơng hợp PEG vào màng tổ hợp PLA/CS, CS phân tán vào PLA đồng đều hơn với kích thƣớc nhỏ hơn, sự kết tụ các hạt CS trong nền PLA giảm đáng kể. Do đó, ảnh FESEM của các màng tổ hợp PLA/CS/PEG không đƣợc trình bày ở đây.
Nhƣ vậy, các chất tƣơng hợp PCL, PEG và PEO đã góp phần tăng khả năng tƣơng tác, phân tán đồng đều của CS vào PLA, đặc biệt là PCL. Do đó, màng tổ hợp PLA/CS/PCL đƣợc lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu phân hủy trong các môi trƣờng khác nhau.
3.1.2.4. Nghiên cứu sự phân hủy của màng tổ hợp PLA/CS/PCL ngâm trong các môi trường khác nhau
Mất khối lượng của các màng tổ hợp PLA/CS/PCL trong các môi trường khác nhau
Các màng tổ hợp PLA/CS/PCL đƣợc thử nghiệm phân hủy trong các môi môi trƣờng khác nhau: kiềm, axit, dung dịch đệm photphat, dung dịch mô phỏng cơ thể ngƣời (SBF) và tác nhân vi sinh vật. Khối lƣợng của mẫu trƣớc và sau khi ngâm trong các môi trƣờng đƣợc xác định với độ chính xác ± 0,001 mg. Sự suy
71 giảm khối lƣợng của mẫu là độ chênh lệch khối lƣợng mẫu trƣớc và sau thuỷ phân theo thời gian thử nghiệm và đƣợc xác định theo công thức nêu ở mục 2.4.4.
Hình 3.14 trình bày mất khối lƣợng của PLA từ các màng tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL có hàm lƣợng PCL khác nhau theo các thời gian ngâm trong dung kiềm.
Hình 3.14. Đồ thị mất khối lượng của màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch NaOH 0,1N.
Từ hình 3.14, có thể thấy các mẫu PLA/CS và PLA/CS/PCL với các hàm lƣợng PCL khác nhau có sự giảm khối lƣợng lớn hơn so với PLA. Sau 2, 5, 7, 14, 28 ngày thử nghiệm, màng tổ hợp PLA/CS bị mất khối lƣợng lớn hơn so với các màng tổ hợp PLA/CS/PCL. Điều này có thể giải thích bởi PCL tăng khả năng tƣơng hợp của PLA và CS, do đó tổ hợp PLA/CS/PCL có cấu trúc chặt chẽ hơn, ít khuyết tật và ít các lỗ rỗng hơn so với màng tổ hợp PLA/CS. Dung dịch NaOH khó xâm nhập vào bên trong màng tổ hợp PLA/CS/PCL hơn so với màng tổ hợp PLA/CS, kết quả là quá trình thủy phân màng tổ hợp PLA/CS/PCL xảy ra chậm hơn so với màng tổ hợp PLA/CS. Màng tổ hợp PCL6 mất khối lƣợng nhỏ hơn so với các màng tổ hợp PLA/CS/PCL còn lại
72 với cùng thời gian ngâm. So sánh các màng tổ hợp PLA/CS/PCL với các hàm lƣợng PCL khác nhau có cùng thời gian ngâm trong dung dịch NaOH, có thể thấy, mất khối lƣợng của màng tổ hợp PLA/CS/PCL6 nhỏ nhất, mất khối lƣợng của màng tổ hợp PLA/CS/PCL2 lớn nhất.
Mất khối lƣợng của màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL trong dung dịch HCl 0,1N, dung dịch đệm photphat, dung dịch SBF và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật với thời gian ngâm khác nhau lần lƣợt đƣợc trình bày trên các hình 3.15 - 3.18. Có thể thấy trong cả 2 dung dịch nêu trên, màng tổ hợp PLA/CS có sử dụng PCL mất khối lƣợng nhỏ hơn so với màng tổ hợp PLA/CS do PCL cải thiện khả năng tƣơng hợp và phân tán của của CS vào PLA. Trong số các màng đƣợc khảo sát, màng PCL6 mất khối lƣợng trong dung dịch axit nhỏ nhất, màng PCL8 mất khối lƣợng trong dung dịch SBF nhỏ nhất. Có thể ở các hàm lƣợng 6-8 %kl, PCL phát huy đƣợc hiệu quả tƣơng hợp PLA và CS tốt nhất nên các màng tổ hợp PLA/CS tƣơng ứng có cấu trúc chặt chẽ hơn nên chúng ít bị thủy phân nhất.
Hình 3.15. Đồ thị mất khối lượng của màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch HCl 0,1N).
73
Hình 3.16. Đồ thị mất khối lượng màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch đệm phot phat (pH =7,4).
Hình 3.17. Đồ thị mất khối lượng màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch SBF.
74
Hình 3.18. Đồ thị mất khối lượng màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL theo thời gian ngâm trong môi trường có tác nhân vi sinh vật.
Từ các số liệu thu đƣợc, bằng phần mềm excel, xây dựng phƣơng trình hồi quy phản ánh mối quan hệ giữa mất khối lƣợng các màng PLA và màng tổ hợp PLA/CS/PCL và thời gian ngâm trong dung dịch kiềm NaOH 0,1N, axit HCl 0,1N, dung dịch đệm photphat, dung dịch SBF và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật đƣợc thể hiện trong các bảng 3.7 - 3.11.
Bảng 3.7. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch NaOH 0,1N
Mẫu Phƣơng trình hồi quy R2
PLA Y = -0,013x2 + 0,912x + 22,65 0,974
PC Y = 18,45ln(x) + 16,36 0,991
PCL2 Y = -0,094x2 + 4,518x + 21,62 0,998 PCL4 Y = -0,126x2 + 5,511x + 17,78 0,997
75 PCL6 Y = -0,113x2 + 4,794x + 15,60 0,999 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
PCL8 Y = -0,119x2 + 4,974x + 15,73 0,998 PCL10 Y = -0,124x2 + 5,102x + 18,49 0,989
Bảng 3.8. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch HCl 0,1N
Mẫu Phƣơng trình hồi quy R2
PC y = 17,699 ln(x) – 6,5076 0,908 PCL2 y = 8,2457 ln (x)+4,1602 0,944 PCL4 y = 15,527 ln(x) – 2,6699 y = -0,1225x2+5,0835x-1,9384 0,903 0,903 PCL6 y = 16,542 ln(x) – 4,4575 y = -0,1186x2+ 5,0853x-2,506 0,915 0,953 PCL8 y =4,0891 ln(x)+3,5541 0,952 PCL10 y = 8,35 ln(x) + 1,5209 0,872
Bảng 3.9. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch đệm photphat pH=7,4
Mẫu Phƣơng trình hồi quy R2
PLA y = -0,009x2 + 0,890x + 12,91 0,998 PC y = -0,038x2 + 2,157x + 28,05 0,892 PCL2 y = -0,022x2 + 1,196x + 28,70 0,993 PCL4 y = -0,017x2 + 0,909x + 25,87 0,992
76 PCL6 y = -0,014x2 + 0,81x + 21,06 0,911 PCL8 y = 0,001x 2 + 0,443x + 18,05 y = 0,490x + 17,82 0,981 0,981 PCL10 y = 0.435x + 21,63 0,914
Bảng 3.10. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch SBF
Mẫu Phƣơng trình hồi quy R2
PC Y = -0,047x2 + 2,592x + 6,209 0,978 PCL2 Y = 0,006x2 + 0,917x + 7,298 0,989 PCL4 Y = -0,001x2 + 1,156x + 3,512 0,988 PCL6 Y = 0,002x2 + 1,007x + 2,524 0,996 PCL8 Y = 0,013x2 + 0,543x + 2,783 0,998 PCL10 Y = -0,002x2 + 1,067x + 1,31 0,996
Bảng 3.11. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong môi trường có tác nhân vi sinh vật
Mẫu Phƣơng trình hồi quy R2
PC Y = -0,047x2 + 2,546x + 4,182 0,979 PCL2 Y = -0,01x2 + 1,353x + 5,528 0,982 PCL4 Y = -0,009x2 + 1,323x + 3,403 0,991 PCL6 Y = 0,001x2 + 0,969x + 3,567 0,996 PCL8 Y = 0,007x2 + 0,903x + 2,482 0,995 PCL10 Y = -0,011x2 + 1,522x + 1,051 0,992
77 Từ bảng 3.7 - 3.11, ta thấy các phƣơng trình hồi quy nhận đƣợc phù hợp với đƣờng cong bậc 2 có hệ số hồi quy từ 0,892 đến 0,999. Hệ số hồi quy lớn nhất từ các phƣơng trình hồi quy phản ánh sự mất khối lƣợng của màng tổ hợp PLA/CS/PCL thuỷ phân trong các dung dịch kiềm NaOH 0,1N, axit HCl 0,1N, dung dịch đệm photphat, dung dịch SBF và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật lần lƣợt là 0,999; 0,953; 0,993; 0,998 và 0,996, chủ yếu là của các màng tổ hợp PCL6 và PCL8. M nƣớc: [41]. Từ hình 3.14 – 3.18 và bảng 3.7 – 3.11, ta thấy màng tổ hợp PLA/CS bị mất khối lƣợng nhiều nhất trong môi trƣờng kiềm. Trong môi trƣờng kiềm, OH-
là tác nhân nucleofin rất mạnh, dễ dàng tấn công vào nguyên tử C trong nhóm C=O (hình 3.19) [103-104]. Sau đó, xảy ra quá trình phân cắt liên kết axyl-oxy tạo thành sản phẩm là các đoạn mạch oligome của lactic axit hay các đoạn phân tử PLA chứa các nhóm –COOH cuối mạch. Các nhóm này lại xúc tác cho quá trình thủy phân PLA tiếp theo cơ chế “tự xúc tác” nhƣ đã nêu ở trên.
78
Hình 3.19. Cơ chế phản ứng thủy phân PLA trong môi trƣờng kiềm.
Trong môi trƣờng axit, quá trình thủy phân PLA có thêm giai đoạn proton hoá và giai đoạn tách proton (hình 3.20). Các nhóm este bị proton hóa làm cho nguyên tử cacbon-cacbonyl trở nên hoạt động hơn và tiếp nhận sự tấn công của tác nhân nucleophin (H2O) [50]. Sau đó, xảy ra quá trình phân cắt liên kết axyl-oxy tạo thành sản phẩm là các đoạn mạch oligome của axit lactic hay các đoạn phân tử PLA chứa các nhóm –COOH cuối mạch. Các nhóm này tạo thành lại có khả năng xúc tác cho quá trình thủy phân trong axit của các mạch hay đoạn mạch PLA tiếp theo. Nó đƣợc gọi là cơ chế “tự xúc tác” [114].
C O O H3O C O O O H H H C O O O H H H C O O O H H H C O O H H H O - H C O O H H O
79 Ngoài ra, CS cũng bị thủy phân trong môi trƣờng axit ở 40o
C, xảy ra quá trình phân cắt tạo thành các đoạn CS ngắn hơn [84, 86]. Cơ chế thủy phân CS đƣợc thể hiện trên hình 3.21. Tốc độ thủy phân của CS chậm hơn và lƣợng CS bị thủy phân nhỏ hơn rất nhiều so với PLA, đặc biệt ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, mất khối lƣợng CS không đáng kể so với PLA.
Hình 3.21. Sơ đồ thủy phân của CS.
Trong môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật, sử dụng chủng Bacillus subtilis W2
sinh ra enzym proteaza K, một loại enzyme có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin [72]. Enzym proteaza K thúc đẩy ăn mòn màng PLA và màng tổ hợp PLA/CS/chất tƣơng hợp. Sau thủy phân, trên bề mặt màng vật liệu đều xuất hiện nhiều các lỗ ăn mòn sâu bên trong mẫu. Cơ chế phân hủy PLA
Proteaza K
sự hình thành các phức enzym-cơ chất (
- , cơ
chế xúc tác axit-bazơ trong phản ứng sinh hoá luôn có sự hình thành các chất trung gian mang điện không bền, dễ dàng phân rã. Chúng có thể ổn định nhờ sự trao đổi proton với sự tham gia của H+
, H3O+ và OH- + (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
, H3O+ trong môi trƣờng
80 hoạt hóa phân hủy của PLA giảm và PLA dễ bị thủy phân hơn, tạo ra các đoạn PLA bị cắt ngắn hơn [2, 66, 105-106].
Phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS/PCL ngâm trong các môi trường khác nhau
Hình 3.22 biểu diễn phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 trƣớc và sau khi ngâm 28 ngày trong các môi trƣờng khác nhau: dung dịch kiềm NaOH, dung dịch axit HCl, dung dịch đệm photphat, dung dịch SBF và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật. Trên phổ FTIR của tổ hợp PCL6 ban đầu xuất hiện pic dao động các nhóm đặc trƣng: nhóm C=O ở 1754 cm-1
, nhóm –OH, NH ở 3368 cm-1, nhóm C-O-C ở 1086 cm-1, nhóm -CH3 ở 2881 cm-1. Ngoài ra, còn xuất hiện các pic dao động biến dạng của nhóm -CH3 ở 1381 cm-1
, nhóm –CH2 ở 750 cm-1
và nhóm –NH ở 1559 cm-1 . Phổ FTIR của các màng tổ hợp PCL2, PCL4, PCL8 và PCL10 cũng đã đƣợc khảo sát và cho kết quả tƣơng tự nhƣ phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 nên không đƣợc trình bày ở đây. Sô sóng (cm-1) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Dô truy ên qua (% ) ban dau NaOH HCl Photphat SBF VSV -C-H -C=O -O-H, -N-H -C-O-C- -C-H Số sóng (cm-1) Đ ộ tr u y ề n q u a ( % )
Hình 3.22. Phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28 ngày trong các môi trường khác nhau.
81 Quan sát phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 sau khi ngâm 28 ngày trong các môi trƣờng khác nhau, ta thấy có sự dịch chuyển số sóng của các nhóm đặc trƣng so với màng tổ hợp PLA/CS ban đầu. Chẳng hạn, với mẫu sau khi ngâm trong dung dịch NaOH 0,1N, số sóng ứng với pic hấp thụ đặc trƣng của nhóm –OH dịch chuyển từ 3368 cm-1
lên 3521 cm-1 với chân píc rộng và tù, nhóm NH2có píc hấp thụ đặc trƣng dịch chuyển từ 1559 cm-1
đến 1562 cm-1 và pic hấp thụ đặc trƣng của nhóm CH3 dịch chuyển từ 1381 cm-1 đến 1387 cm-1 với cƣờng độ yếu hơn. Pic hấp thụ đặc trƣng của nhóm C=O dịch chuyển từ 1754 cm-1 đến 1775 cm-1
(bảng 3.12). Vị trí các số sóng đặc trƣng cho các nhóm chức trong màng tổ hợp PCL6 đƣợc trình bày trong bảng 3.12.
Bảng 3.12. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28 ngày trong các môi trường khác nhau
Số sóng (cm-1 ) Mẫu Dao động ban đầu Dung dịch NaOH 0,1N Dung dịch HCl 0,1N Dung dịch đệm photphat Dung dịch SBF Tác nhân vi sinh vật OH, NH 3368 3521 3452 3519 3427 3437 C=O 1754 1775 1752 1774 1769 1779 CH 2881 - - - 2885 - –NH 1559 1562 1558 1573 1568 1570 C-O-C 1086 1093 1085 1098 1089 1091 CH3 1381 1387 1380 1391 1389 1390 –CH2 750 - 752 763 767 769
Tƣơng tự, trong các dung dịch axit HCl, đệm photphat, dung dịch SBF và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật, số sóng của một số nhóm đặc trƣng trong màng tổ hợp PCL6 dịch chuyển từ 1 đến 51 cm-1
82 trƣng trong màng tổ hợp PCL6 sau 28 ngày ngâm trong các môi trƣờng khác nhau đƣợc giải thích bởi PLA trong màng tổ hợp PLA/CS bị thủy phân và các liên kết