Tớnh chất của polyme phõn hủy sinh học trờn cơ sở polylactic axit

Polyeste trờn cơ sở axit lactic và copolyme của chỳng poly(lactic-co-glycolic) được cho là polyme sinh học tốt nhất về phương diện thiết kế và hiệu quả cho cỏc ứng dụng trong y-sinh học [124,125]. Trong số này, axit lactic cú chứa nguyờn tử

-cacbon khụng đối xứng với cỏc isome khỏc nhau như D,L,và DL- axit lactic. Tớnh chất cơ lý của poly(D-axit lactic) (DPLA) và poly(L-axit lactic) (LPLA) là giống nhau trong khi raxemic PLA cú tớnh chất rất khỏc. Raxemic PLA và LPLA cú Tg khoảng 5657 oC nhưng LPLA cú độ kết tinh cao cú nhiệt độ núng chảy là 170 oC, cũn racemic DLPLA cú nhiệt độ núng chảy khụng xỏc định. Tớnh chất của polyme bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ thành phần, cấu trỳc polyme và khối lượng phõn tử. Độ tinh thể của polyme cú vai trũ quan trọng trong quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học và bị thay đổi với cấu trỳc lập thể. Khi chiếu tia , khối lượng phõn tử của polyme giảm 3040%. Polyme bị chiếu tia tiếp tục giảm khối lượng phõn tử khi bảo quản ở nhiệt độ phũng. Quỏ trỡnh suy giảm khối lượng phõn tử cú ảnh hưởng tới tớnh chất cơ lý và tốc độ nhả thuốc của polyme. PLA và copolyme của nú với tỷ lệ glycolic < 50% bị hoà tan trong cỏc dung mụi thụng thường như clohydrocacbon, THF, etyl axetat.

Thụng số hoà tan của nhiều polyme khỏc nhau được xỏc định bởi Siemann [175]. Thụng số hoà tan nằm trong khoảng 16,2 đến 16,8 và cú thể so sỏnh với Polystyren và Polyisopren [36]. Một nghiờn cứu so sỏnh cỏc tớnh chất cơ lý của nhiều polyme phõn huỷ sinh học gốc polyeste được trỡnh bày trong tài liệu [47,63] cho thấy: tớnh chất nhiệt, độ bền kộo đứt và modun uốn phụ thuộc vào nhiệt độ được nghiờn cứu.

Cỏc tớnh chất cơ, nhiệt của cỏc polyme trờn cơ sở axit lactic và copolyme của chỳng được trỡnh bày trong bảng dưới đõy [100,170].

49

Bảng 1.2. Tớnh chất cơ học của polylactit và copolyme của chỳng Polyme Điểm núng Polyme Điểm núng chảy [oC] Nhiệt độ húa thủy tinh [oC] Độ bền kộo đứt [MPa] Modun đàn hồi [GPa] Độ dón dài khi đứt [%] LPLA 170-178 60-65 28-50 1.2-3.0 5-10 DLPLA khụng xđ 55-60 29 1.9 3-10 85/15 DLPLG khụng xđ 50-55 - 2.0 3-10 75/25 DLPLG khụng xđ 50-55 - 2.0 3-10

1.3.6. Quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học của PLA và PLGA

Lewis [122], Goferich [72] nghiờn cứu quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học của cỏc polyme trờn cơ sở lactic thấy rằng: khối lượng phõn tử, sự phõn bố khối lượng phõn tử, độ kết tinh và hỡnh thỏi cấu trỳc của polyme đúng vai trũ quan trọng trong quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học của cỏc polyme này. Cỏc yếu tố khỏc cú thể ảnh hưởng đến quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học của polylactit bao gồm cấu trỳc và cấu hỡnh hoỏ học, khối lượng phõn tử và sự phõn bố khối lượng phõn tử, điều kiện chế tạo, vị trớ cấy ghộp, yếu tố vật lý và điều kiện phõn huỷ [124,142]. Sự phõn huỷ của polyme bỏn tinh thể xảy ra theo 2 bước. Bước đầu tiờn, pha khụng định hỡnh bị thuỷ phõn và sau đú đến vựng tinh thể. Polyme thuỷ phõn khối cỏc liờn kết este và qua đú làm giảm khối lượng phõn tử nhưng khụng làm mất trọng lượng [76].

Cỏc nghiờn cứu về quỏ trỡnh phõn hủy sinh học chỉ ra rằng trong giai đoạn đầu, quỏ trỡnh phõn huỷ xảy ra thuần tuý theo con đường thủy phõn làm giảm khối lượng phõn tử của polyme. Trong cỏc giai đoạn tiếp theo, một số cơ chế phõn huỷ khỏc trong cơ thể sống mới cú ý nghĩa. Sự phụ thuộc của quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học của PLA vào độ pH trong phạm vi pH <5 là rất ớt. Trong phạm vi pH lớn hơn 7,5 quỏ trỡnh thủy phõn xảy ra nhanh. Quỏ trỡnh này ngược lại so với phần lớn cỏc chất nhõn tạo phõn hủy sinh học khỏc. Thời gian phõn huỷ của PLA thường là dài hơn của PGA cũng như sản phẩm đồng trựng ngưng (PLGA).

50

Bảng 1.3. Thời gian phõn hủy in vivo của cỏc vật liệu PLA và PLGA

Polyme Thời gian phõn hủy in vivo (thỏng)

Poly (L-lactit) 18-24

Poly (D-L-lactit) 12-16

Poly glycolit 2-4

Poly(D-L-lactit-co-glycolit) 50:50 2

Poly (D-L-lactit-co-glycolit) 85:15 5

Vert. M và cỏc đồng tỏc giả [193,194,195] đó nghiờn cứu một cỏch đầy đủ về quỏ trỡnh thuỷ phõn của lactit. Trong nghiờn cứu này cỏc thớ nghiệm được tiờu chuẩn hoỏ, tất cả cỏc mẫu cú kớch thước 2x10x15 mm được chế tạo như nhau và bị thuỷ phõn ở nhiệt độ 37oC trong nước cất hay trong vựng đệm isotonic photphat. Sự thay đổi của polyme được theo dừi qua đo sự hấp thụ nước, mất khối lượng, GPC khảo sỏt sự thay đổi trọng lượng phõn tử, DSC và nhiễu xạ tia X khảo sỏt tớnh chất nhiệt và cấu trỳc tinh thể, đo điện thế và phõn tớch enzym để xỏc định sự thay đổi pH và giải phúng axit lactic, và DMA xỏc định sự thay đổi tớnh chất cơ lý. Polyme PLA bỏn tinh thể bị mất 50% độ bền kộo đứt sau 18 tuần trong dung dịch đệm và khụng bị mất trọng lượng sau 30 tuần thủy phõn. Sự phõn hủy của PLA nhỏnh được mụ tả là ăn mũn khối giống như polyme mạch thẳng [53].

Vert và cỏc cộng sự đó khảo sỏt quỏ trỡnh phõn huỷ phức tạp của PLA, PGA và PLGA và cho rằng cú sự tồn tại sự phụ thuộc vào kớch thước trong quỏ trỡnh phõn huỷ thuỷ phõn của hệ PLA. Cỏc nghiờn cứu khỏc [76,152] cho rằng cỏc hạt micro của dẫn xuất PLA bị phõn huỷ nhanh hơn so với hạt nano và hiện tượng này được giải thớch dựa theo cơ chế khuyếch tỏn.

Quỏ trỡnh phõn huỷ sinh học của PLA nhỏnh với glucozơ hay polyol cao phõn tử được xỏc định bởi sự mất khối lượng. Phõn huỷ trong axit cũng tương tự như vậy và cho thấy cú sự tham gia của phõn huỷ enzym. PLA nhỏnh bị phõn huỷ nhanh hơn so với PLA mạch thẳng. Ngược lại, PLA mạch thẳng hấp thụ nước nhiều hơn so với PLA nhỏnh. Vớ dụ sau 36 tuần, PLA mạch thẳng chứa 21% nước trong khi PLA mạch nhỏnh chỉ chứa cú 2% nước. Đến nay vẫn chưa cú giải thớch nào cho hiện tượng này.

51

Quỏ trỡnh phõn huỷ của rất nhiều polyeste mạch thẳng ở dạng kớch thước micro trong dung dịch đệm photphat ở nhiệt độ 37 và 85 oC được R. Lindhardt [126] nghiờn cứu. Kết quả cho thấy rằng, polyme phõn tử lượng thấp phõn huỷ nhanh hơn phõn tử cao và phõn huỷ ở 85 oC cũng giống ở nhiệt độ thấp hơn nhưng diễn ra nhanh hơn. Phõn huỷ sinh học của PLA phõn tử lượng thấp được nghiờn cứu ứng dụng cho sản xuất thuốc uống dạng viờn [140].

1.3.7. Phương phỏp gia cụng PLA

PLA là một loại nhựa nhiệt dẻo nờn ta cú thể sử dụng cỏc phương phỏp gia cụng thụng dụng cho nhựa nhiệt dẻo như: ộp đựn, tạo sợi núng chảy, rút phun, ộp phun, thổi màng… để tạo ra cỏc sản phẩm khỏc nhau. Tuy nhiờn, trong quỏ trỡnh gia cụng cần phải tối ưu về thời gian và nhiệt độ để trỏnh xảy ra phản ứng ngược, tạo ra sản phẩm mạch vũng ban đầu.

Trong quỏ trỡnh chế tạo sản phẩm và gia cụng PLA, người ta cũn tiến hành trộn hợp (blending) PLA với cỏc chất khỏc, đặc biệt là với tinh bột và chất dẻo [101,164, 165,173,176,198,203...]. Sản phẩm thương mại VicrylR, DexonR, MaxonR thường dựng làm chỉ khõu y tế. Tại Mỹ, hóng Cargill Inc đó sản xuất PLA với tờn thương mại là Eco PLAR từ nguyờn liệu là ngụ. Quỏ trỡnh tổng hợp ra axit lactic theo phương phỏp lờn men vi sinh [42,43,127,202]. Ngoài nguyờn liệu là ngụ, người ta cũn dựng gạo, lỳa mạch, khoai tõy, bột mỳ... Mặt khỏc PLA cũn được ứng dụng trong việc chế tạo thành bao bỡ, tỳi đựng, cỏc thiết bị y tế, cỏc vật dụng dựng một lần [103]. Một số cụng trỡnh nghiờn cứu về phõn hủy nhiệt [66,88,129,143] và xỏc định hỡnh thỏi học và tớnh chất của PLA qua xử lý nhiệt [64,140,133,200] cũng như về tớnh chất kết tinh của PLA, cấu trỳc vi mụ... đó gúp phần khảo sỏt một cỏch đầy đủ về PLA. Những năm gần đõy, đó cú một số cụng trỡnh nghiờn cứu về vật liệu Composit của PLA cú cấu trỳc nano [41,86,153] mở ra một hướng ứng dụng mới là tạo ra sản phẩm cụng nghệ cao cho những mục tiờu đặc biệt.

1.3.8. Ứng dụng của PLA

Do những đặc điểm về tớnh chất cũng như khả năng phõn hủy sinh học, lactic là một nguyờn tử chiral và tồn tại trong 2 dạng hoạt động quang học; L-lactit và D- lactit. Sự trựng hợp của cỏc monome này dẫn đến sự hỡnh thành của polyme bỏn tinh thể. Tuy nhiờn, sự trựng hợp của racemic (D,L)-lactit và mesolactit dẫn đến sự hỡnh thành của cỏc polyme vụ định hỡnh[113,150]. Trong số cỏc monome này, L-

52

lactit là isome tự nhiờn. Poly(L-lactit) (PLLA) cũng là một polyme tinh thể (37% tinh thể) và mức độ kết tinh phụ thuộc vào khối lượng phõn tử và cỏc thụng số gia cụng polyme. Nú cú nhiệt độ thuỷ tinh hoỏ khoảng 6065 oC và cú nhiệt độ chảy xấp xỉ 175 oC [138]. Polylactit là polyme phõn huỷ chậm so với polyglycolit, cú độ bền kộo đứt tốt, độ kộo dón thấp và modul cao (xấp xỉ 4,8 GPa) và do vậy, được coi như là vật liệu sinh học lý tưởng cho cỏc ứng dụng trong y-sinh như dụng cụ cố định trong phẫu thuật chỉnh hỡnh[191]. Một số sản phẩm phẫu thuật chỉnh hỡnh từ PLLA đó thương mại húa như: ốc vớt tự tiờu dựng cố định mụ trong chỉnh hỡnh, chỉ tự tiờu (do hóng DePuy sản xuất), ốc vớt cố định nộp sinh học (do hóng Arthex sản xuất); ốc vớt sinh học, đai cố định sinh học, nẹp cố định sinh học (do hóng Linvatec sản xuất), đĩa đệm sinh học (do hóng Innovasive Devices sản xuất). Bờn cạnh những ứng dụng trờn, người ta cũng đó ứng dụng PLA làm bao bỡ đựng thực phẩm cũng như hàng húa. Tuy nhiờn, hướng ứng dụng này hiện nay cũn rất hạn chế do giỏ thành quỏ cao.

PLLA cũng cú thể tạo thành cỏc sợi cú độ bền cao và được FDA chấp nhận năm 1971 đối với việc cải thiện, nõng cao chất lượng chỉ khõu tự tiờu do hóng DEXONthực hiện. Do cỏc sợi PLLA cú độ bền cao, nú đang được nghiờn cứu làm vật liệu giỏ đỡ, thay thế cho dõy chằng hay cỏc thiết bị, dụng cụ tăng cường cho việc thay thế cỏc sợi cú khả năng phõn huỷ, như Dacron [45,131]. Một số cỏc thiết bị, dụng cụ trờn cơ sở sợi PLLA hiện đang được nghiờn cứu như cỏc ống dẫn mỏu lõu dài [205]. Dạng cú thể tiờm vào của PLLA (Sculptra) gần đõy đó được FDA chấp nhận để làm giảm mỡ với sự miễn dịch hiệu quả.

Tuy nhiờn, do cú tớnh kị nước hơn polyglycolit, tốc độ phõn huỷ của PLLA là rất thấp. Cỏc kết quả nghiờn cứu cho biết PLLA khối lượng phõn tử cao cú thể mất từ 2 đến 5, 6 năm để cú thể tỏi hấp thụ hoàn toàn trong vivo [31,138]. Tuy nhiờn, tốc độ phõn huỷ phụ thuộc vào mức độ kết tinh của polyme cũng như trạng thỏi rỗ, xốp của nền.

53

Chương 2. THỰC NGHIỆM

2.1. NGUYấN VẬT LIỆU HểA CHẤT

- L- axit lactic: hàm lượng ≥ 93,4% sản phẩm lờn men từ tinh bột sắn Việt Nam - Metanol: hàm lượng ≥ 99,5% ,hóng sản xuất Sigma- Aldrich - Đức

- p - Xylen: hàm lượng ≥ 99%, hóng sản xuất BHD chemicals Ltd Poole - Anh - Chlorofom: hàm lượng ≥ 99,5% , hóng sản xuất Merck- Đức

- 1,2 dicloroetan: ≥ 99%, hóng sản xuất Merck- Đức

- Etylaxetat: ≥ 99,5%, hóng sản xuất Sigma- Aldrich - Đức

- Etylene glycol: hàm lượng ≥ 99,5%, hóng sản xuất Aldrich - Đức. - Al(OH)3: 99,5 %, hóng sản xuất BHD chemicals Ltd Poole - Anh

- ZnCl2: hàm lượng ≥ 99%, hóng sản xuất Shantou Xilong chemical Factory Guandong - Trung Quốc

- Sb2O3: hàm lượng ≥ 99%, hóng sản xuất BHD chemicals Ltd Poole - Anh - Bột Sn: loại PA do CHLB Nga sản xuất

- SnCl2: hàm lượng ≥ 99,5%, hóng sản xuất Shantou Xilong chemical Factory Guandong – Trung Quốc

- Octoat - thiếc: hàm lượng ≥ 95%, hóng sản xuất Sigma- Aldrich - Đức. - Laurylancol: 99%, hóng sản xuất Merck- Đức

- Triphenyl phosphin: hàm lượng ≥ 99,8 %, hóng sản xuất Merck - Đức - Polycaprolacton (PCL): (Mw= 35000 g/mol) hóng Merck – Đức - Polyethylenglycol (PEG): (Mw= 2000 g/mol) hóng Merck – Đức - Cỏc loại húa chất phõn tớch cần thiết khỏc.

2.2.THIẾT BỊ SỬ DỤNG

1. Hệ thống thiết bị thủy tinh tổng hợp PLA

(Bỡnh cầu 250 và 500 ml, sinh hàn, mấy khuấy, hệ gia nhiệt, hệ chõn khụng, bỡnh khớ N2 )

2. Mỏy chụp phổ hồng ngoại IR: BRUKER - TENSOR (Đức)

3. Mỏy sắc ký khối phổ GC-MS : Agilent Technologies 7890A (Nhật) 4. Mỏy phõn tớch phổ cộng hưởng từ : ADVANCE -500 hóng BRUKER - Đức.

54

5. Mỏy phõn tớch nhiệt : DSC trờn thiết bị Perkin Elmer - Model Pyris Sapphirs và TGA trờn thiết bị Perkin Elmer- odel Pyris Diamond TG-DH (Nhật)

6. Thiết bị trộn kớn Haake Rheomix 600 p (Đức) 7. Mỏy đựn trục vớt : Industrial Spa (Italia) CGM-35 8. Mỏy ộp thuỷ lực Carver, ỏp lực 130 tấn (Mỹ) 3895 9. Mỏy cắt mẫu: Toyoseiky (Nhật)

10. Thiết bị đo tớnh chất cơ lý: thiết bị đo đa năng Housfield 10 KN (Anh) 11. Mỏy chụp nhiễu xạ tia X : Bruker D5005 (Đức)

12. Cõn phõn tớch Kern 770 (Đức), độ chớnh xỏc đến 10-4g. 13. Kớnh hiển vi điện tử quột: YEOL.JSM.6360 (Nhật) 14. Mỏy đo độ bền va đập: Olsen - Tinious Model 892 (Mỹ)

15. Cỏc thiết bị khỏc: bơm chõn khụng, mỏy khuấy từ, bỡnh N2, Ar2 và cỏc thiết bị phụ trợ phũng thớ nghiệm khỏc.

2.3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM - TỔNG HỢP, GIA CễNG, NGHIấN CỨU PHÂN HỦY VẬT LIỆU PLA.

2.3.1. Điều chế axit lactic bằng phương phỏp lờn men tinh bột sắn (Xem phụ lục 1) lục 1)

Phụ lục 1 trỡnh bày chi tiết: nguyờn liệu, húa chất, thiết bị và phương phỏp lờn men sinh tổng hợp điều chế axit lactic, phương phỏp thu hồi và tinh chế sản phẩm.

2.3.2.Tổng hợp PLA

2.3.2.1. Tổng hợp lactit mạch vũng

a) Quy trỡnh thực nghiệm tổng hợp

Hỗn hợp: 100 gam axit lactic, 20 ml p-xylen được gia nhiệt tại ỏp suất khớ quyển trong bỡnh cầu 3 cổ loại 250 ml, duy trỡ nhiệt độ ở 130  140 oC trong 3 giờ để loại bỏ hoàn toàn lượng nước tự do trong axit. Sau đú hỗn hợp phản ứng được thờm chất xỳc tỏc SnCl2 (hoặc ZnCl2) với hàm lượng 0,2% theo trọng lượng và nhiệt độ của phản ứng được tăng lờn 175 185 oC. Nước sinh ra từ phản ứng ngưng tụ được cất loại ra liờn tục nhờ sử dụng thiết bị tỏch nước và tuần hoàn lại dung mụi. Phản ứng ngưng tụ được duy trỡ ở nhiệt độ này trong khoảng 3 giờ hay dài hơn

55

cho tới khi khụng cũn thấy nước sinh ra. Áp suất của hỗn hợp phản ứng sau đú được giảm xuống khoảng 150 mmHg, đồng thời vẫn duy trỡ nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng ở 175 185 oC. Phản ứng được kộo dài thờm khoảng 30 phỳt. Khớ N2 được sục vào hỗn hợp phản ứng liờn tục với tốc độ ~ 2dl/s. Sau khi phản ứng ngưng tụ khụng xảy ra nữa (tức là khụng thấy xuất hiện vết nước tỏch ra), độ nhớt của sản phẩm tăng lờn rừ rệt. Mặc dự vậy, sản phẩm polylactic axit thấp phõn tử này mới ở dạng oligome với độ trựng hợp đạt được trong khoảng P = 815. Sản phẩm ngưng tụ được rút vào chậu sứ, sau khi nguội chỳng trở nờn rắn, cú mầu trắng trong, giũn và dễ vỡ. Cỏc sản phẩm này là nguyờn liệu dựng để tổng hợp lactit ở giai đoạn 2 (giai đoạn khử trựng hợp). Chỳng cú thể được chuyển ngay sang thiết bị để tổng hợp lactit hay được lưu giữ bảo quản. Trong giai đoạn khử trựng hợp, để tổng hợp lactit, sản phẩm oligome axit lactic được đưa vào bỡnh phản ứng cựng với xỳc tỏc Sb2O3 hoặc Al(OH)3 phản ứng được tiến hành tại nhiệt độ trong khoảng 130300 oC, ỏp suất dưới 100 mmHg. Sản phẩm lactit tạo thành ở pha hơi được cất ra, ngưng tụ và thu hồi. Sau khi tinh chế làm sạch sản phẩm thu được là cỏc tinh thể hỡnh kim cú màu trắng.

Để nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc điều kiện phản ứng (xỳc tỏc, nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ hàm lượng cỏc chất tham gia phản ứng...), cỏc thớ nghiệm được lặp lại theo quy trỡnh trờn với sự thay đổi cỏc thụng số tương ứng.