CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2.4. Ứng dụng của nhựa polycaprolactone
1.2.4.1. Ứng dụng tron gy học
Đặc tính quan trọng của PCL là khả năng tương thích sinh học tốt, nên polycaprolactone chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực y học như kỹ thuật mô và hệ vận chuyển thuốc trong cơ thể người [15].
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 18
- Kỹ thuật mô:
Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta không thể tránh khỏi những sự cố như ngã, hay nặng hơn là tai nạn, làm cho xương chúng ta bị tổn thương và cần thời gian rất lâu để cố định lại, củng cố sự tự hồi phục của cơ thể. Trong quá trình hồi phục, khả năng chịu lực của xương rất kém. Biện pháp thường được sử dụng hiện nay là sử dụng đinh ốc hay nẹp thép để cố định, tuy nhiên sau một khoảng thời gian, các thiết bị này sẽ được loại bỏ, việc này sẽ gây đau đớn cho bệnh nhân và nguy hiểm hơn là bị tổn thương lần nữa trong q trính tháo gỡ. Trước tình hình đó cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại, PCL được sử dụng như vật liệu gắn kết xương lại với nhau trong quá trình hồi phục và sẽ bị thủy phân dần theo thời gian mà khơng cần phải qua giai đoạn tháo gỡ. Chính vì sự mất dần độ bền cơ học của vật liệu theo thời gian dẫn đến sự kích thích liên tục xương chữa lành và củng cố độ chịu lực của xương.
Hoi Man Wong và cộng sự đã nghiên cứu ra một vật liệu tổng hợp Mg/PCL phủ silane để hỗ trợ điều trị gãy xương do lỗng xương. Kết quả, vì sự có mặt của các hạt vi mơ magie trong nền PCL đã làm tăng tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp tạo giá đỡ và giúp hỗ trợ phát triển xương, đẩy nhanh q trình lành xương, tăng khả năng tương thích sinh học cho vật liệu. [16]
Xufeng Dong cùng với các cộng sự ở trường Khoa học và kỹ thuật vật liệu (Trung Quốc) đã nghiên cứu thành công sợi nano Polylactide (PLA) / Polycaprolactone(PCL) và được cấy tế bào MG-63 (loại tế bào gốc của xương người). Kết quả sau khi cấy ghép vào giàn giáo sợi cho thấy tế bào phát triển tốt trên giàn giáo sợi và khả năng tương thích sinh học tốt hơn so với giàn giáo sợi nano thông thường [17].
- Hệ vận chuyển thuốc trong cơ thể người:
Hệ vận chuyển thuốc trong lĩnh vực y học thường sử dụng sợi có kích thước micro hoặc nano để dẫn truyền thuốc.
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 19 Polycaprolactone có thời gian phân hủy sinh học lâu hơn so với các polymer phân hủy sinh học khác, điều này làm cho nó thích hợp cho các ứng dụng u cầu thời gian phân hủy dài như phân phối thuốc dài hạn.
Nhóm nghiên cứu của Hongliang Xin cùng với các cộng sự thuộc trường Đại học Fudan, Trung Quốc đã nghiên cứu thành công và công bố về ứng dụng của PCL trong phân phối thuốc, việc kết hợp poly (ethylene glycol)-co-poly(ε- caprolactone) tạo thành các hạt nano bằng phương pháp Electrospinning như một hệ phân phối thuốc cho bệnh u thần kinh đệm. [18]
Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu gồm Hồng Minh Sơn, Đoàn Ngọc Hoan, Huỳnh Đại Phú (năm 2016) của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu thành công sợi nano từ poly 𝜀- caprolactone/chitosan và một loại thuốc Cucurmin được
thêm vào. Sợi được tạo ra có bề mặt mịn và hình thái tốt, đường kính sợi từ 200 nm đến 400 nm. Thuốc được giải phóng thơng qua kỹ thuật in vitro. Kết quả cho thấy sợi nano từ sợi polycaprolactone/chitosan kết hợp curcumin là một vật liệu tiềm năng để chữa lành vết thương [19].
- Chỉ tự khâu:
Cũng giống như khi bị tổn thương ở xương, chúng ta cần phải tháo gỡ những chiếc ốc, nẹp. Đối với việc vết thương rách cũng vậy, việc dùng chỉ khâu truyền thống làm cho bệnh nhân đau đớn và tốn thời gian khi phải ra viện cắt chỉ sau khi đã lành. Do đó, người ta đã sử dụng PCL làm chỉ khâu trong y tế để khắc phục những hạn chế trên. Chỉ khâu PCL sẽ tự phân hủy dần theo thời gian mà không cần phải tháo gỡ.
Vào năm 2014, Ovidio Catanzano và cộng sự đã nghiên cứu ra một loại chỉ khâu hoạt tính sinh học được tổng hợp dựa trên sợi PCL, được nạp với thuốc chống viêm Diclofenac (Dic) xen kẽ trong hydrotalcite – HT. Kết quả tạo ra loại chỉ tự khâu có tính chất cơ học tốt, phân tán đều thuốc và giúp khép vết thương, giảm viêm ở các mô được khâu [20].
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 20
1.2.4.2. Ứng dụng trong một số lĩnh vực khác
Trong lĩnh vực bao bì, PCL kết hợp với các thành phần khác như chitosan để tạo ra loại bao bì có khả năng phân hủy sinh học và kháng khuẩn được sử dụng trong ngành đóng gói thực phẩm, giúp bảo vệ mơi trường, cũng như chất lượng và thời hạn sử dụng của thực phẩm [21].
Ngồi ra, PCL cịn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như điện tử, nhớ hình. Chong Yong Lee cùng các cộng sự đã chế tạo các điện cực tổng hợp graphene/ polycaprolactone bằng cách sử dụng cơng nghệ in 3D. Vật liệu này có khả năng phân hủy sinh học dẫn điện, đóng vai trị như một giá đỡ kích thích điện trong việc thúc đẩy hình thành mơ cho y học tái tạo, cũng như các ứng dụng điện tử sinh học [22].
PCL còn như một chất phụ gia cho nhựa để cải thiện các đặc tính sử dụng cuối cùng như độ dẻo dai, tính linh hoạt, khả năng nén và độ bền xé. PCL được sử dụng như chất hóa dẻo cho Polyvinylclorua-PVC. Trộn với tinh bột giúp giảm giá thành và tăng khả năng phân hủy sinh học của vật liệu. Việc sử dụng quan trọng nhất của PCL là trong sản xuất polyurethan. Nó mang lại khả năng chống dầu, nhiên liệu và dung mơi tốt cũng như tính linh hoạt và dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt. Ở khoảng 60°C, PCL có thể dễ dàng định hình, điều này giúp nó hữu ích cho việc tạo mơ hình và làm ngun liệu để tạo mẫu in 3D.
1.3. Trùng hợp mở vòng của polyester
Polylactones hay polylactide đều có thể được điều chế bằng hai cách tiếp cận khác nhau, gồm trùng ngưng axit hydroxycacboxylic hoặc bằng phản ứng trùng hợp mở vòng của các monomer este mạch vịng. Kỹ thuật trùng ngưng ít tốn kém hơn trùng hợp mở vịng, nhưng rất khó để thu được các polymer có trọng lượng phân tử cao, chứa các nhóm cuối cụ thể, nhiệt độ phản ứng cao và cần phải loại bỏ các sản phẩm phụ có trọng lượng phân tử thấp (ví dụ nước).
Trùng hợp mở vòng của lacton hay lactide đều đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong suốt hơn 40 năm qua, do tính linh hoạt của nó trong việc sản xuất nhiều loại polymer y sinh có kiểm sốt. Ban đầu, Carothers và đồng nghiệp đã nghiên cứu rộng rãi kỹ thuật trùng hợp
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 21 mở vòng đối với lacton, anhydrit và cacbonat [23]. Kể từ đó phương pháp này đã được áp dụng cho nhiều loại monomer để sản xuất các loại polymer với một số hệ thống khơi mào và xúc tác đã được phát triển.
Có một số lý do để nghiên cứu sự trùng hợp của các este mạch vịng. Thứ nhất, có thể khai thác tiềm năng hóa học trong việc tổng hợp polymer để tạo ra nhiều loại polymer với sự kiểm soát của các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất polymer. Các điều kiện thí nghiệm phải được tối ưu hóa để tìm ra điều kiện trùng hợp tốt nhất cho cả quy trình trong phịng thí nghiệm hoặc quy trình áp dụng trong cơng nghiệp mong muốn. Lý do thứ hai để nghiên cứu trùng hợp mở vòng là cho phép nghiên cứu tạo ra các đại phân tử khác nhau, bao gồm các homopolyme có cấu trúc hoặc nhóm cuối được xác định rõ ràng, cũng như các chất đồng trùng hợp với các cách trùng hợp khác nhau, ví dụ, khối, ghép, hoặc đồng trùng hợp sao. Các tính chất vật lý, cơ học của các đại phân tử khác nhau được nghiên cứu để xác định mối quan hệ giữa cấu trúc-đặc tính. Lý do thứ ba để nghiên cứu hệ thống này là có thể cho ra mơ hình có giá trị để kiểm tra động học và cơ chế của các phản ứng trong phản ứng trùng hợp.
Polyester được hình thành khi monomer este mạch vịng được phản ứng với chất xúc tác hoặc chất khơi mào. Mỗi đại phân tử được hình thành thường chứa một đầu chuỗi kết thúc với một nhóm chức có nguồn gốc từ phản ứng kết thúc và một đầu cuối là nhóm chức năng có nguồn gốc từ chất khơi mào. Bằng cách thay đổi chất xúc tác hoặc chất khơi mào và phản ứng kết thúc, bản chất của các nhóm chức có thể được thay đổi để phù hợp với ứng dụng của polymer.
Tùy thuộc vào chất khơi mào, quá trình trùng hợp tiến hành theo ba cơ chế phản ứng khác nhau, gồm: trùng hợp mở vòng cation, anion và chèn-phối trí. Các cơ chế được mơ tả ngắn gọn ở các phần tiếp theo [14].
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 22
1.3.1. Trùng hợp mở vòng cation
Sự trùng hợp mở vịng cation của các ester mạch vịng có thể xảy ra theo hai cơ chế đó là chuỗi hoạt động và cơ chế hoạt hóa monomer. Chúng ta có thể chọn hoặc thay đổi các điều kiện của phản ứng để điều chỉnh cơ chế xảy ra của phản ứng polymer hóa cation.
Hình 1.5: Trùng hợp mở vịng cation theo cơ chế a) chuỗi hoạt động; b) hoạt hóa monomer [4]
Trùng hợp mở vịng cation theo cơ chế chuỗi hoạt động liên quan đến sự hình thành của một loại cation do tác nhân R+ tấn cơng vào vị trí oxy của cacbonyl trong monomer. Cịn đối với cơ chế hoạt hóa monomer, ester mạch vịng được kích hoạt bằng ion proton hoạt động, sau đó các monomer khác hoặc một chuỗi mạch đang phát triển tấn công vào.
Sự trùng hợp cation rất khó kiểm sốt và thường xảy ra phản ứng “back biting”, nên chỉ tạo thành các polymer có trọng lượng phân tử thấp (khoảng < 15000 g/mol) [4].
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 23
1.3.2. Trùng hợp mở vòng anion
Hình 1.6: Cơ chế trùng hợp mở vịng anion [4]
Trùng hợp mở vòng anion liên quan đến việc hình thành một loại anion tấn cơng vào cacbon của nhóm carbonyl trong monomer. Monomer được mở tại liên kết acyl-oxy và tạo ra một trung tâm hoạt động là một alkoxit. Hạn chế chính của phương pháp này là sự xuất hiện của q trình transesteri (chuyển hóa) nội phân tử đáng kể, còn được gọi là '' phản ứng ngược '', trong giai đoạn sau của q trình polymer hóa. Điều này dẫn đến các polymer có trọng lượng phân tử thấp.
Các hệ thống phổ biến nhất để có thể bắt đầu trùng hợp mở vịng anion cho ε- caprolactone đó là amine và các alkoxit kim loại kiềm như kali tert-butoxide và liti tert- butoxit. [4]
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 24
1.3.3. Trùng hợp mở vịng chèn-phối trí
Hình 1.7: Cơ chế trùng hợp mở vịng chèn-phối trí [4]
Trùng hợp mở vịng chèn - phối trí là hình thức trùng hợp mở vịng phổ biến nhất. Nó thực sự là trùng hợp mở vịng giả anion. Việc phát triển để tiếp tục phản ứng thông qua sự phối hợp của monomer với chất xúc tác. Monomer sẽ được gắn vào một liên kết kim loại – oxy của chất xúc tác. Trong quá trình phản ứng, chuỗi phát triển được gắn với kim loại thông qua một liên kết alkoxit. Sau đó, các monomer khác sẽ tấn cơng vào chuỗi đang phát triển.
Trùng hợp chèn phối trí đã được nghiên cứu kỹ lưỡng vì nó có thể tạo ra các polyeste được xác định rõ thơng qua q trình trùng hợp.