Chƣơng 1 : TỔNG QUAN
1.5. Chất lỏng ion và các ứng dụng trong cấy ghép-đồng trùng hợp polymer
1.5.1. Chất lỏng ion
Chất lỏng ion (ILs) là muối có thể tồn tại ở dạng lỏng ở điều kiện nhiệt độ thấp (được quy định là nhỏ hơn 1000C), cấu thành hoàn toàn bởi các cation và anion. Chất lỏng ion có một số tính chất đặc trưng như sau:
- Gần như khơng tồn tại áp suất hơi. Chất lỏng ion là muối dạng lỏng, nên các ion âm và dương tương tác với nhau rất manh, không tách ra khỏi pha lỏng ở điều kiện thông thường. Hầu hết các chất lỏng ion khi gia nhiệt đến một nhiệt độ xác định thì sẽ bị phân huỷ chứ khơng bay hơi.
- Độ dẫn cao - Khơng bắt lửa
- Có khả năng hồ tan tốt trong nhiều dung môi phân cực - Có khả năng hồ tan tốt các hợp chất vơ cơ và hữu cơ.
Do các ưu điểm trên, trong những nghiên cứu gần đây, chất lỏng ion được coi là một dung mơi hiệu quả và an tồn đối với môi trường.
Về cấu tạo, chất lỏng ion thường được cấu tạo bởi các cation có cấu trúc bất đối xứng với các nhóm chức chiếm diện tích lớn trong khơng gian và các anion. Do đặc điểm này, các gốc cation và anion trong chất lỏng ion không thể tạo thành mạng lưới tinh thể như đối với các muối thông thường. Một số cation và anion phổ biến cấu tạo nên chất lỏng ion được liệt kê trong hình 1.8 dưới đây.
Hình 1.8. Một số gốc cation và anion phổ biến cấu tạo nên chất lỏng ion
1.5.2. Ứng dụng chất lỏng ion trong phản ứng cấy ghép-đồng trùng hợp
Cho đến nay, chưa có nghiên cứu nào về ứng dụng chất lỏng ion trong cấy ghép đồng trùng hợp monomer lên sợi keratin lông gà. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã công bố đều cho thấy chất lỏng ion có thể hồ tan tốt các polymer nguồn gốc tự nhiên như collagen, chitosan, cellulose và keratin. Đây là một trong những điều kiện để sử dụng một chất lỏng ion làm dung môi cho phản ứng cấy ghép monomer lên sợi tự nhiên. Ngoài ra, nghiên cứu ứng dụng một số chất lỏng ion trong cấy ghép monomer cũng đã được thực hiện đối với các loại sợi polymer tự nhiên khác như collagen, chitosan hay cellulose.
Do có các ưu điểm nổi trội hơn so với các dung môi hữu cơ thông thường, trong các nghiên cứu gần đây, chất lỏng ion được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nghiên cứu ứng dụng chất lỏng ion làm chất dẫn ion cho các thiết bị năng lượng, ứng dụng chất lỏng ion trong dược phẩm để sản xuất các loại thuốc giảm đau dùng trong y học, hoặc sử dụng làm dung mơi cho các q trình đồng trùng hợp chế tạo polymer...Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn này, các ứng dụng của chất lỏng
ion được trình bày trong giới hạn ứng dụng cho phản ứng cấy ghép- đồng trùng hợp chế tạo vật liệu polymer.
Zhuojun Meng và cộng sự (2012) đã nghiên cứu ứng dụng chất lỏng ion [BMIM]Cl làm dung mơi hồ tan collagen trong quy trình tách chiết, thu hồi collagen từ da lợn. Theo nghiên cứu này, collagen được hoà tan hoàn toàn trong chất lỏng ion [BMIM]Cl sau 2 giờ. Theo tác giả, chất lỏng ion có thể hồ tan hồn toàn collagen là do sự phá vỡ các liên kết hydrogen và liên kết ion trong phân tử collagen. Gốc Cl- tự do của [BMIM]Cl sẽ tạo liên kết với nhóm -NH- của phân tử collagen, trong khi đó gốc [BMIM]+ tạo liên kết với nhóm -CO- dẫn đến các liên kết hydrogen trong phân tử collagen bị phá vỡ (Hình 1.9). Bên cạnh đó, khi collagen trộn lẫn với chất lỏng ion, dưới tác động của nhiệt độ, Cl- có xu hướng di chuyển lại gần nhóm -NH3+, [BMIM]+ di chuyển lại gần nhóm -COO- của phân tử collagen (Hình 1.10). Do đó, các chuỗi collagen có thể di chuyển tự do và cuối cùng tan hoàn toàn trong chất lỏng ion. Do chất lỏng ion có thể hồ tan hồn tồn trong các dung mơi như nước deion, ethanol, acetone, methanol, và butanol, trong khi collagen khơng hồ tan trong các dung mơi này nên có thể thu hồi collagen tái sinh bằng cách thêm một trong các dung mơi trên vào dung dịch collagen hồ tan. Trong quá trình thu hồi, các liên kết hydrogen có thể tái tạo, tuy nhiên các liên kết này trong collagen tái sinh khơng hồn tồn giống như trong keratin ban đầu [40].
Hình 1.9. Ảnh hưởng của chất lỏng ion đối với liên kết hydrogen trong collagen Liên kết hydro bị phá vỡ trong chất lỏng ion Liên kết hydro bị phá vỡ trong chất lỏng ion
Hình 1.10. Ảnh hưởng của chất lỏng ion đối với liên kết ion trong collagen [40] Các nghiên cứu tương tự thực hiện trên cellulose và keratin cũng cho thấy, Các nghiên cứu tương tự thực hiện trên cellulose và keratin cũng cho thấy, chất lỏng ion có khả năng hồ tan hồn tồn các sợi polymer tự nhiên này. Trong nghiên cứu của Azila Idris và cộng sự (2013), lơng cừu có thể được hồ tan hồn tồn trong dung mơi in 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([BMIM]Cl) or 1- allyl-3 methylimidazolium chloride([AMIM]Cl) sau 10 giờ với tỉ lệ khối lượng giữa lông cừu và chất lỏng ion là 50%. Cũng theo nghiên cứu này, do các chất lỏng ion [BMIM]Cl và [AMIM]Cl có thể phá vỡ các liên kết disulfide bền vững trong phân tử keratin nên keratin có thể hồ tan tốt 2 trong chất lỏng ion trên [6]. Một nghiên cứu khác thực hiên các thí nghiệm khảo sát sự hồ tan của lơng vịt trong 3 loại chất lỏng ion khác nhau cho thấy, tốc độ hoà tan của [BMIM]Cl, [BMIM]Br, [BMIM]NO3 lần lượt đạt 86.13%, 84,18% và 85.11% [34]. Từ các kết quả nghiên cứu, các tác giả đều dự đoán rằng do keratin tốt trong một số chất lỏng ion, nên khi loại dung môi này làm dung mơi hồ tan có thể sẽ cho hiệu quả thu hồi cao. Dựa vào tính hồ tan tốt các sợi polymer tự nhiên, một số nghiên cứu đã lựa chọn chất lỏng ion làm dung môi cho các phản ứng cấy ghép monomer lên các loại sợi tự nhiên khác nhau.
Trong một nghiên cứu gần đây, Zhenglong Wan và cộng sự (2011) đã thực hiện thí nghiệm cấy ghép methyl metacrylate trong chất lỏng ion [BMIM]Cl. Thí nghiệm được khảo sát tại 2 giá trị nồng độ cellulose trong chất lỏng ion là 10% và 6%. Phản ứng xảy ra ở 800C trong 24 giờ. Theo tác giả, chất lỏng ion [BMIM]Cl có thể phá vỡ các các liên kết hydro trong cấu trúc của cellulose dẫn đến sự hoà tan hoàn toàn keratin trong dung môi này. Kết quả quét nhiệt vi sai cho thấy, không quan sát được hiện tượng chuyển pha thuỷ tinh trên đường DSC của mẫu cellulose
Mạch chính Mạch chính
khơng cấy ghép, trong khi đó hành vi nhiệt này được thể hiện rõ ràng trên đường DSC của mẫu cellulose cấy ghép. Điều này chứng tỏ có phản ứng cấy ghép monomer methyl methacrylate lên sợi cellulose xảy ra [39]. Trong một thí nghiệm khác thực hiện cấy ghép monomer caprolactone lên chitosan trong chất lỏng ion 1- ethyl- 3-methylimidazolium actate EMIMAc, Zhaodong Wang và cộng sự (2012) đã cho biết tỉ lệ caprolactone trong vật liệu cấy ghép có thể lên tới 63% khi tỉ lệ mol caprolacton/chitosan ban đầu là 50 [38]. Kết quả quét nhiệt vi sai cho thấy cả mẫu chitosan không cấy ghép và mẫu chitosan cấy ghép đều có nhiệt độ chảy mềm. Tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy của mẫu khơng cấy ghép là khoảng hơn 2000C, cao hơn so với nhiệt độ phá huỷ cấu trúc chitosan. Trong khi đó, mẫu chitosan cấy ghép monomer có nhiệt độ nóng chảy dao động từ 160C đến -600C tuỳ thuộc vào tỉ lệ monomer cấy ghép. Kết quả này chứng tỏ, tính chất nhiệt dẻo của chitosan cấy ghép monomer tốt hơn so với chitosan không cấy ghép monomer và có thể sử dụng chất lỏng ion làm dung môi cho phản ứng cấy ghép monomer lên sợi chitosan.
Như vậy, từ các kết quả nghiên cứu này có thể dự đốn rằng việc sử dụng chất lỏng ion làm dung mơi cho q trình cấy ghép monomer lên sợi keratin là hoàn toàn khả thi.Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng 2 chất lỏng ion phổ biến là [BMIM]Cl và [BDIM]Cl làm dung mơi cho 2 quy trình tách chiết, thu hồi keratin từ lông gà và cấy ghép monnomer lên sợi keratin.