I. TỔNG QUAN
1.2.1. Nhiệt độ dung dịch tới hạn (CST) và điểm chuyển đổi thể tích pha
0
r có thể được tính toán sử dụng phương trình sau:
2 1 2 1 2 0 l C N r n (17)
Trong đó Cn là tỷ lệ đặc trưng Flory; l là chiều dài liên kết dọc theo khung polyme, N là số liên kết được tính theo phương trình 18:
r c M
M
N 2 (18)
Mr là khối lượng phân tử của các tiểu phân cấu tạo nên mạch polyme. Khi kết hợp các phương trình 8, 9, 10 ở trên và sắp xếp lại, chúng ta thu được phương trình tính toán kích thước mắt lưới trong hydrogel trương:
2 1 2 0 3 1 , 2s r (19)
Việc tính toán kích thước mắt lưới và các thông số cấu trúc khác của hydrogel và quá trình trương của hydrogel trong dung dịch cho phép nghiên cứu đặc tính khuếch tán của các loại thuốc và protein bên trong cấu trúc phức tạp của gel.
1.2. Giới thiệu về polyme nhạy nhiệt
1.2.1. Nhiệt độ dung dịch tới hạn (CST) và điểm chuyển đổi thể tích pha
Khái niệm điểm nhiệt độ tới hạn đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu giản đồ pha của các hệ polyme blend cơ bản [41]. Theo đó người ta sử dụng
hiệu ứng nhiệt trộn lẫn âm (tỏa nhiệt) hay hệ hai polyme sẽ hòa trộn tốt vào nhau ở vùng nhiệt độ bên dưới đường LCST, trong khi xảy ra sự tách pha giữa hai polyme nếu ở trên vùng nhiệt độ này. Ngược lại, Nhiệt độ hòa tan giới hạn trên (USCT) là biểu hiện của các hỗn hợp polyme có hiệu ứng nhiệt trộn lẫn dương (thu nhiệt) tức là hai polyme sẽ hòa tan tốt vào nhau ở vùng nhiệt độ phía trên đường UCST và tách pha khi nhiệt độ nằm dưới đường này [42-44]
Đối với các hệ polyme dạng hydrogel, khi các polyme chủ yếu thể hiện các đặc tính đặc biệt trong môi trường dung môi (thường là nước) thì hầu hết các tác động từ môi trường bên ngoài (như nhiệt độ, pH, lực ion, ánh sáng …) đều tập trung vào tác động đến thể tích của polyme. Điểm chuyển đổi thể tích pha, là điểm giới hạn về điều kiện vật lý tại đó thể hiện sự biến đổi đột ngột về thể tích của polyme nhạy cảm với môi trường hay polyme thông minh là yếu tố được quan tâm hàng đầu trong các ứng dụng [45,46].
Đối với polyme nhạy nhiệt, giới hạn vật lý chuyển đổi thể tích pha được xác định là nhiệt độ hay còn gọi là nhiệt độ chuyển đổi thể tích pha. Sự xuất hiện của nhiệt độ hòa tan tới hạn CST (critical solution temperature) ở đây không thể hiện sự trộn lẫn đến đồng thể giữa hai polyme như trường hợp polyme blend mà thể hiện giới hạn nhiệt độ mà tại đó pha của polyme và dung môi bị tách ra thành từng phần riêng biệt. Nếu dung dịch polyme (xét trường hợp dung môi là nước) tồn tại đồng thể ở vùng nhiệt độ dưới một giá trị nhiệt độ xác định thì thông thường các polyme này được coi là có điểm nhiệt độ hòa tan tới hạn dưới, gọi là điểm LCST (lower critical solution temperature). Đối với quá trình ngược lại tức là dung dịch polyme tồn tại đồng thể ở vùng nhiệt độ cao hơn một giá trị nhiệt độ xác định thì polyme này có điểm nhiệt độ dung dịch tới hạn trên gọi là điểm UCST (upper critical solution temperature). Các ứng dụng của polyme nhạy nhiệt đều dựa trên tính chất của điểm CST này.
Trong một nghiên cứu khác về đặc tính chuyển pha và nhiệt độ LCST của hệ polyme NIPAM-co-HEMA, tác giả M. Constantin và các cộng sự [47] có
phát hiện sự biến đổi điểm LCST của hệ copolyme mạch thẳng (không có tác nhân khâu mạch) phụ thuộc vào nồng độ polyme trong dung dịch, nó thay đổi khi đo bằng phương pháp đo độ đục. Điều này có thể giải thích là do tương tác kỵ nước giữa các mạch polyme tăng lên khi nồng độ polyme trong dung dịch tăng [48]. Tuy nhiên, nếu xác định bằng phương pháp DSC, giá trị LCST thu được của dung dịch polyme hoàn toàn không phụ thuộc vào nồng độ polyme trong dung dịch, điều này được giải thích là do phương pháp phân tích nhiệt chỉ thu được duy nhất số liệu về nhiệt lượng khi sự đứt gãy về liên kết hidro giữa các phân tử dung môi và mạch polyme xảy ra [49]. Tuy nhiên, đối với trường hợp hydrogel PNIPAM, với sự có mặt của các tác nhân liên kết chéo, polyme thể hiện tính chất không gian ba chiều, M. Constantin đã chứng minh được nhiệt độ chuyển thể tích pha hoàn toàn trùng với điểm LCST [47].
Hình 1.3. Liên kết hydro của nước với PolyNIPAM
a) ở nhiệt độ dưới LCST, b) ở nhiệt độ trên LCST – PNIPAM là hoàn toàn mất nước và không tan trong nước
* Hiện tượng chuyển pha của polyme nhạy nhiệt:
Như đã trình bày ở trên, các polyme nhạy nhiệt tồn tại một điểm CST. Các polyme có điểm CST mà tại đó sự phân tách pha xảy ra khi nhiệt độ vượt qua một giá trị nhiệt độ xác định là các polyme có sự chuyển pha thuận nghịch. Chúng tan trong dung môi (H2O) ở nhiệt độ thấp nhưng trở thành không tan khi nhiệt độ vượt quá điểm CST [5,7,50,51].
Giản đồ phân tách pha lỏng-lỏng ở một áp suất nhất định của dung dịch polyme nhị nguyên thường được xác định bằng cách dựng đồ thị của nhiệt độ mà hiện tượng tách pha bắt đầu xảy ra, xem nhiệt độ đó như là một hàm của nồng độ polyme. Dung dịch đồng nhất ở nhiệt độ thấp và quá trình tách pha xuất hiện khi nhiệt độ vượt quá giá trị CST hay điểm đục của hỗn hợp. Giá trị thấp nhất trên giản đồ chính là điểm LCST hay còn gọi là ngưỡng kết tủa, nó chính là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó sự tách pha xảy ra hoàn toàn.
Hình 1.4. Giản đồ pha của hệ polyme có điểm LCST hoặc UCST
Trên hình 1.4 biểu diễn mối quan hệ giữa thành phần của hệ và nhiệt độ của hệ. Các nhánh đuờng cong cho thấy thành phần polyme bị co lại (hay kết tủa) ở những vùng khác nhiệt độ khác nhau. Ở đây là đường cong thể hiện sự phân pha ở các polyme có LCST và các polyme có UCST.
Các polyme có tính chất kiểu này thường được tổng hợp từ các mạch polyme có các nhóm kỵ nước vừa phải (nếu quá kỵ nước thì mạch polyme sẽ không hòa tan hoàn toàn trong nước) hoặc chứa hỗn hợp các đoạn ưa nước và kỵ nước.
Hình 1.5. Cấu tạo của monome để tổng hợp polyme nhạy nhiệt
Ở nhiệt độ thấp, liên kết hydro giữa các đoạn ưa nước của mạch polyme và các phân tử nước chiếm ưu thế làm tăng quá trình hòa tan trong nước.
Khi nhiệt độ tăng, tương tác kỵ nước giữa các đoạn kỵ nước được củng cố trong khi liên kết hydro bị suy yếu. Kết quả làm co polyme do tập hợp giữa các mạch polyme qua tương tác kỵ nước. Nói chung, thành phần kỵ nước trong mạch polyme càng cao thì nhiệt độ LCST càng thấp. Bởi vậy, LCST có thể thay đổi nhờ điều chỉnh tỷ lệ các đoạn ưa nước và kỵ nước của polyme.
Hình 1.6. Tính chất tách pha phụ thuộc cân bằng giữa các nhóm kị nước và ưa nước
Bảng 1.1: LCST của một số dung dịch thuộc nhóm acrylamit
CH2 CH
R
O n
Gốc R Poly(N-alkylacrylamit) Nhiệt độ tan giới hạn dƣới ( LCST) (0
C)
NH2 Poly(acrylamit) Không có điểm LCST, tan trong nước
NH-CH3 Poly(N-metylacrylamit) Không có điểm LCST, tan trong nước
NH-CH2-CH3 Poly(N-etylacrylamit) 82 NH-CH2-CH2-CH3 Poly (N-N-propylacrylamit) 22 NH-CH-(CH3)2 Poly (N-isopropylacrylamit) 32-34 N Poly (N-cyclo propylacrylamit) 47
NH-CH2-CH2-CH2-CH3 Poly(N-n-butyl acrylamit) Không có điểm LCST, không tan trong nước N-C(CH3)3 Poly(N-t-butyl acrylamit) Không có điểm LCST,
không tan trong nước N-(CH3)2 Poly(N-N-dimetyl
acrylamit)
Không có điểm LCST, tan trong nước
N CH3 CH2 CH3 Poly(N-etyl, N-metyl acrylamit) 56
N-(CH2-CH3)2 Poly(N,N-dietyl acrylamit) 32-42, tùy thuộc hoạt tính của polyme
N CH3 CH2 (CH3)2 Poly(N-isopropyl,N-metyl acrylamit) 25 N CH2 CH3 CH2 CH2 CH3 Poly(N-etyl, N-propyl acrylamit Không có điểm LCST, không tan trong nước N-(CH2-CH2-CH3)2 Poly(N,N-dipropyl
acrylamit)
Không có điểm LCST, không tan trong nước
N Poly(N-acryloylpyrrolidin) 55
N Poly(N-acryoylpiperidin) 4
1.2.2. Nhiệt động học dung dịch polyme.
Tính chất của polyme trong dung dịch phức tạp hơn nhiều so với tính chất của các hợp chất thấp phân tử. Độ tan của polyme được mô tả bởi hàm năng lượng tự do Gibbs của quá trình trộn lẫn.
ΔGmix = ΔHm - TΔSm (20) Dung dịch polyme thường được mô tả bởi mô hình mạng lưới trường trung bình được phát triển bởi Flory và Huggins, trong đó các đoạn polyme và phân tử dung môi được phân bố trong mạng lưới với Ng phần tử. Trong quá trình hòa tan, các tương tác dung môi – dung môi và polyme - polyme bị phá vỡ và các tương tác dung môi – polyme được thiết lập. Năng lượng trao đổi của một cặp có thể được tính như sau:
Δu = u12 – 1/2(u1 + u2) (21) Entanpi trộn lẫn đối với số tiếp xúc N12 giữa dung môi với phần thể tích ф1 và polyme với phần thể tích ф2 trong mạng lưới với số phối trí z
ΔHm = N12Δu = NgzΔuф1ф2 (22) Sử dụng năng lượng nhiệt có thể thu được thông số tương tác Flory-
χ = zΔu/kT (23) Thông số này phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ
χ = χ0 + χ1ф2 + χ2ф22
χ = χS + χH/T
(24) (25) với các thành phần entanpi và entropi χH và χS tương ứng
χH = Δh1/(RTф22) χS = Δs1/(Rф2 2 ) (26) (27) Tổng số vị trí Ng của mạng lưới có thể khai triển theo số Avogadro NA
Ng = NAn1/ф1 (28) với n1 mol dung môi trong tổng số n mol dung dịch. Bởi vậy entanpi của quá trình trộn lẫn ΔHm có thể được viết lại như sau:
ΔHm = nRTχф1ф2 (29) Entanpi của quá trình trộn lẫn thường có giá trị dương (không thuận lợi cho quá trình trộn lẫn) trong trường hợp polyme và dung môi không phân cực không có tương tác riêng. Nếu n2 đoạn polyme liên hệ với nhau qua độ trùng hợp m2 được hòa tan trong n1 phân tử dung môi thì entropi của cả 2 thành phần đều tăng
ΔSm = nR[(ф2/m2)lnф2 + ф1lnф1] (30) Do entropi của quá trình trộn lẫn nhỏ và entanpi có giá trị dương nên polyme sẽ ít tan trong dung môi hơn so với các phân tử nhỏ. Sử dụng phương trình entanpi và entropi của quá trình trộn lẫn, năng lượng Gibbs của quá trình trộn lẫn dung dịch polyme được viết lại như sau:
ΔG/nRT = ф1lnф1 + (ф2/m2)lnф2 + ф1ф2χ (31) Dạng phương trình này có thể dự đoán được đường cong không đối xứng của giản đồ pha. Phương trình này được sử dụng để dự đoán các polyme có LCST [52].
Hình dạng của giản đồ nhiệt cũng đem lại rất nhiều thông tin. Người ta thường mong muốn có được các homopolyme hoặc các đoạn mạch nhạy nhiệt
có entanpi của quá trình chuyển pha cao và đường thu nhiệt gần như đối xứng hẹp với thời gian chuyển pha rất ngắn (đường a trong hình 1.7) hơn là đường thu nhiệt đối xứng rộng với thời gian chuyển pha dài (đường b trong hình 1.7). Những đòi hỏi này đặc biệt quan trọng đối với sự hình thành các tập hợp polyme đơn phân tán trong quá trình chuyển pha. Trong các hệ mà tương tác hydro đủ mạnh thì những tương tác đó làm giảm đáng kể năng lượng tự do của quá trình hòa tan. Ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng của liên kết hydro bị suy yếu đồng thời với hiệu ứng kỵ nước được kiểm soát bởi entropi, xu hướng chuyển từ trạng thái cuộn sang cấu trúc cầu chặt chẽ hơn của hệ tăng làm giảm tiếp xúc giữa nước và các bề mặt kỵ nước. Entanpi của quá trình chuyển pha thu nhiệt tương ứng với sự mất khoảng 1 liên kết hydro trên 1 đơn vị monome của một số polyme nhạy nhiệt đã được xác định và thống kê trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Tính chất nhiệt động của một số polyme LCST [53]
Polyme Mn (g/mol) Mw/Mn TCP (0C) ΔH (kcal/mol)
PNIPAM 5.400 2,3 34,3 0,3 11.000 6,9 34,2 1,4 13.000 1,16 32,6 0,8 160.000 2,8 32,2 1,5 300.000 31,8 1,4 PDEAAM 2.300 1,17 33,2 0,01 4.200 1,13 40,8 0,62 4.000 1,12 39 20.400 3,13 33 0,7 PNVCL 30.000 1,4 35,7 1,0 330.000 1,6 31,7 1,05 PIOZ 1.900 1,05 72,5 0,36 2.400 1,04 62,8 0,72 4.600 1,03 51,3 0,9 5.650 1,03 48,1 1,35 PVME 20.500 3,0 35
Hình 1.7. Hình dạng khác nhau của giản đồ nhiệt đối với các polyme LCST 1. 2.3. Hydrogel nhạy nhiệt và nhạy pH
1.2.3.1 Phân loại hydrogel nhạy nhiệt
Các hydrogel nhạy nhiệt được nghiên cứu đầu tiên là các polyme đáp ứng nhiệt trong nghiên cứu hệ dẫn thuốc. Các hydrogel đó có thể trương hoặc nhả trương khi có sự thay đổi nhiệt độ ở môi trường xung quanh. Chúng được phân loại thành hydrogel nhạy nhiệt dương, nhạy nhiệt âm và nhạy nhiệt thuận nghịch. Các polyme dạng hydrogel nhạy nhiệt như PNIPAM, metyl xenllulo, pluronic, tetronic, và N-vinyl caprolactam, được đặc trưng bởi nhiệt chuyển pha sol-gel phụ thuộc nhiệt độ, tương đương với nhiệt độ hòa tan giới hạn dưới (LCST), và bằng nhiệt độ chuyển pha gel-sol, Tp- nhiệt độ hòa tan giới hạn trên (UCST) tương đương với nhiệt độ hóa rắn của gel [54].
Các hydrogel nhạy nhiệt âm có một điểm LCST, chúng có thể được định nghĩa như nhiệt độ giới hạn dưới mà polyme trương trong dung dịch trong khi trên nhiệt độ đó thì polyme co lại (ngược lại với trạng thái trương). Thấp hơn điểm LCST, giới hạn entanpi, liên quan đến liên kết hydro giữa polyme và phân tử nước, giữ vai trò làm cho polyme trương. Khi nhiệt độ tăng lên cao hơn điểm LCST, giới hạn entanpi (tương tác kỵ nước) chiếm ưu thế hơn, làm cho polyme bị co lại. Hiệu quả quá trình tạo liên kết hydro phụ thuộc vào nhiệt độ âm; trên
điểm LCST, các liên kết hydro giữa các nhóm monome dư và các phân tử nước, chúng làm tăng sự phá vỡ khi tăng nhiệt độ. Mạch chính của polyme, chuỗi dài của các liên kết C-C mà chuỗi nhánh được gắn vào là kỵ nước và có xu hướng làm giảm diện tích bề mặt của chúng với các phân tử có tính phân cực cao. Nguyên nhân là do sự hình thành các khối kết hợp như hình dưới đây [55].
Hình 1.8. Mạch chính của hydrogel nhạy nhiệt
a) quá trình polyme bị trương, b) các polyme gộp lại
Khi các liên kết hydro giữa các nhóm phụ và nước xuất hiện, quá trình tập hợp lại của mạch chính sẽ tránh được vì các tương tác liên kết hydro với các phân tử nước là mạnh hơn các tương tác của mạch chính. Khi các liên kết hydro bị phá vỡ bởi nhiệt độ tăng, quá trình gộp lại diễn ra là do sự co của các hydrogel nhạy nhiệt khi nhiệt độ tăng [56].
Hydrogel nhạy nhiệt dương có nhiệt độ kết tinh giới hạn trên (UCST). Mạng lưới polyme của poly(acrylic axit) PAA và polyacrylamit (PAAm) hoặc poly(acryamit-co-butyl-metacrylat) thể hiện sự phụ thuộc vào nhiệt độ dương của quá trình trương. Các tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPA, P(NIPAM- co-AAm) và poly(NIPAM-co-N-hydroxy-metylacrylamit-co-hydroxyetyl metacrylat) được tổng hợp bằng quá trình trùng hợp oxi hóa khử đã được nghiên cứu. Hơn nữa, tính chất của PNIPAM, các hydrogel poly(NIPAM-co-2-
dimetylacrylamit), tổng hợp bằng quá trình trùng hợp gốc đã được nghiên cứu rộng hơn [57].
Các hydrogel nhạy nhiệt chứa N-acetylacrylamit-metacrylamit-N,N'-me- tylen bis-acrylamin đã được tổng hợp và mô tả trong sáng chế của N. Ohnishi và đồng sự [58]. Cụ thể, copolyme này là một polyme đa đáp ứng nhiệt, có cả một điểm UCST và một điểm LCST trong các khoảng nhiệt độ khác nhau, và đáp ứng lại nồng độ ion hydro. Theo đó, nó có thể được sử dụng hiệu quả cho quá trình tách, các hệ dẫn thuốc … Một số gel dạng nano đã được phát triển dựa trên các mạng lưới xuyên thấm của các gel PNIPAM và các hạt nano silica thích hợp. Tỷ lệ nhả thuốc hoàn toàn có thể được điểu chỉnh bằng cách thay đổi thành phần của nanogel. Các polyme ghép thu được bằng cách ghép gelatin với PNIPAM dưới bức xạ UV thu được một chất nền nuôi cấy tế bào. Hydrogel tổng hợp bằng cách trùng hợp N-alkyl-substituted (meth)acrylamit NIPAM và một monome có chứa nhóm chức N-acryloxysuccinimit với một chất tạo lưới là azobisisobutyronitril, có thể kiểm soát quá trình nhả thuốc, đáp lại sự thay đổi nhiệt độ cụ thể [59].
Các copolyme phân hủy sinh học trên cơ sở PNIPAM, polyacrylamit, polydimety-lacrylamit, hoặc copolyme khối trên cơ sở polyetylen glycol và polypropylene\ glycol được sử dụng như các chất mang thuốc, bao gồm cấu trúc mạng lưới không gian ba chiểu ở dạng polyme nhạy nhiệt được đưa ra.