glutaraldehyt
Cơ chế phản ứng khâu mạch của PVA với tinh bột sử dụng tác nhân khâu mạch GA được trình bày trong hình 1.9. Phản ứng khâu mạch được diễn ra dưới tác dụng của nhóm –OH ở mạch phân tử PVA cũng như của các nhóm –OH tại liên kết methylol (-CH2OH) ở mạch phân tử tinh bột với hai nhóm aldehyt (CHO) của glutaraldehyt, với sự tham gia của xúc tác axit proton, dẫn đến hình thành các liên kết ngang qua phản ứng tách ra các phân tử nước (H2O) [23, 94].
Như vậy, quá trình biến tính hóa học giữa PVA và tinh bột là rất đa dạng, phản ứng có thể xảy ra theo cơ chế ghép mạch hoặc cơ chế khâu mạch, tạo lưới hoặc nhiều phương thức khác [ 98]. CH2 CHCH2 CH OH OH n O O O OH OH OH OH OH OH O O CH2OH CH2OH CH2OH m (CH2) CH 3 O CH O n O O CH CH2)3 CH O CH2 CHCH2 CH m O O O OH OH OH OH OH OH O O CH2 CH2 CH2OH O (
Hình 1.9 Cơ chế phản ứng khâu mạch của PVA với tinh bột sử dụng glutaraldehyt
1.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME TRÊN CƠ SỞ POLYVINYL ANCOL BIẾN TÍNH VỚI TINH BỘT
Hiện tại có 3 phương pháp chế tạo vật liệu polyme cấu trúc mạng lưới: một là phương pháp tổng hợp hóa học tạo lưới bằng phản ứng trùng hợp theo cơ chế gốc hoặc sử dụng các
tác nhân khâu mạch (như glutaraldehyt; epíclorhydrin…); hai là phương pháp khâu mạch bằng bức xạ (bức xạ tử ngoại (UV) hoặc bức xạ gama (), ba là phương pháp đóng băng/tan chảy. Phụ thuộc vào các phương pháp tạo liên kết ngang để tổng hợp polyme theo yêu cầu, có thể chia ra làm 2 loại chính là: liên kết ngang hóa học và liên kết vật lý. Trong polyme được liên kết hóa học, các chuỗi polyme khác nhau được nối bằng liên kết cộng hóa trị. Trong các polyme được liên kết vật lý, các chuỗi polyme được nối với nhau bởi lực tĩnh điện, liên kết hydro, sự tương tác kỵ nước các mạch ngẫu nhiên .
Mỗi một phương pháp đều có những điểm ưu việt và hạn chế của nó. Tuỳ vào từng yêu cầu cụ thể mà người ta có thể lựa chọn phương pháp thích hợp và phù hợp nhất cho mục tiêu của mình.
1.8.1 Tổng hợp vật liệu PVA/TB theo phương pháp hóa học
Các liên kết ngang được hình thành được tạo lưới bằng phản ứng trùng hợp theo cơ chế gốc, ghép monome lên mạch chính của polyme hoặc sử dụng các tác nhân khâu mạch liên kết các mạch phân tử polyme với nhau. Các liên kết ngang của polyme tổng hợp và polyme tự nhiên đạt được thông qua phản ứng của các nhóm chức năng của chúng (như OH, COOH, và NH2) với các tác nhân lên kết như aldehyt (như: glutaraldehyt, acetaldehyt, formaldehyt, axit adipíc dihydrazit, …). Phương pháp hóa học chính sử dụng để tổng hợp polyme sinh học như: sử dụng các chất liên kết hóa học, ghép mạch, ....[23, 98, 113]
polyme được kích hoạt bởi hoạt tính của các tác nhân hóa học hoặc do xử lý bức xạ năng lượng cao. Sự tăng các monome chức năng trên gốc phân tử polyme lớn tự do hoạt động dẫn đến sự hình thành nhánh và liên kết ngang.
Hình 1.11 Quá trình ghép monome lên mạch chính polyme tạo thành nhánh đầu tiên và liên kết ngang [113]
1.8.2. Tổng hợp vật liệu PVA/TB theo phương pháp bức xạ gamma
Khi chiếu xạ dung dịch polyvinyl ancol hoặc các dung dịch chất hữu cơ khác bằng phương pháp chiếu xạ electron nhanh hoặc gamma, sản phẩm tạo ra có thể dùng để băng bó vết thương đặc biệt là các vết bỏng. Có thể bổ sung các chất kháng sinh hoặc chất điện giải vào dung dịch trước hoặc sau khi chiếu xạ để tăng hiệu quả điều trị. Ưu điểm của loại băng vết thương dạng gel nước là làm cho vết thương chóng lành, hạn chế tối đa quá trình mất nước từ vết thương, không gây đau đớn, dễ thay băng và do nó trong suốt nên thầy thuốc có thể theo dõi trực tiếp vết thương trong quá trình điều trị .Tổng hợp và biến tính polyme bằng bức xạ đã được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu và ứng dụng trong y sinh [45, 60, 90, 104].
Kỹ thuật tổng hợp vật liệu bằng bức xạ như sau: Bước đầu tiên là tổng hợp dung dịch nước của các thành phần, thành phần chính có thể là polyvinyl pyrrolidon, polyetyl glycol, …Sau khi trộn hỗn hợp đồng nhất ở nhiệt độ cao, bước thứ hai đổ vào khuôn đầy
dung dịch, khuôn được đậy bằng lá kim loại không thấm không khí và vi sinh vật. Bước cuối cùng là được xử lý bức xạ ion hóa. Hai quá trình diễn ra là khử trùng và hình thành liên kết polyme mạng ba chiều, sản phẩm có dạng hydrogel hoàn toàn vô trùng trong suốt, dày 3-4mm, có chứa trên 90% nước.
Màng băng vết thương tạo thành từ kỹ thuật bức xạ có những tính chất: ngăn chặn hiệu quả với vi khuẩn, ngăn cản sự mất quá nhiều chất dịch tiết của cơ thể. Nó cho phép khuếch tán oxy với vết thương, mềm mại, đàn hồi, bám dính với vết thương tốt nên dễ thay băng, dễ điều trị các vết thương bằng thuốc, không làm ảnh hưởng đến quá trình chữa bệnh, hấp thụ các độc tố vi khuẩn, làm dịu cơn đau, giữ ẩm , không kháng nguyên, không gây dị ứng, …
Hình 1.12 Sơ đồ tạo liên kết ngang của hệ polysacarit-vinyl monome sử dụng bức xạ [45]
Công nghệ bức xạ sử dụng để chế tạo màng băng vết thương có ưu điểm hơn so với các phương pháp thong thường là dễ dàng, đơn giản và sạch (không có sản phẩm phụ), tất cả các thành phần an toàn cho con người và môi trường. Nó không yêu cầu phòng sản xuất đặc biệt vô trùng, nhưng vẫn cho sản phẩm tiệt trùng, dễ dàng phù hợp cho quy mô khác nhau.
Nhiều nhà khoa học đã khảo sát ảnh hưởng của tia (=Co60) lên tính chất vật lý của sợi PVA, hydrogel và màng được bức xạ trong nước. Ảnh hưởng của hàm lượng bức xạ: Ảnh hưởng của hàm lượng bức xạ lên khối lượng phân tử liên kết ngang được mô tả trong hình dưới đây cho dung dịch PVA 10% và 15%.
Hình 1.13 Ảnh hưởng của nồng độ và lượng bức xạ đến khối lượng phân tử giữa các liên kết [22]
Sự khác biệt rõ trong màng được trương lên đã được thấy giữa bức xạ chân không và trong không khí. Tuy nhiên, nồng độ dung dịch càng cao sự khác biệt càng ít. Một vấn đề trong kỹ thuật này là sự hình thành liên kết ngang. Độ bền cơ học của liên kết ngang, hydrogel PVA kết tinh đã được thực nghiệm, để nâng cao độ bền cơ học của màng PVA người ta đã tạo liên kết ngang bằng chiếu xạ hơi electron dung dịch PVA và cũng đã thử nghiệm hiện tượng kết tinh bằng quá trình hydrat hóa và ủ. Vật liệu thu được chứa tinh thể có thêm các liên kết ngang. Vùng tinh thể có thêm các liên kết ngang (Độ tinh thể) của mẫu được ủ ở 1200C trong 30 phút phụ thuộc mật độ tạo liên kết ngang.
Su Jung You, Woong Schick Ahn đã nghiên cứu tổng hợp hydrogel liên kết cấu trúc 3 chiều hỗn hợp PVA và gelatin bằng công nghệ bức xạ tia gamma60Co. Tính chất vật lý của hydrogel gồm hàm lượng gel, độ hấp thụ nước, độ bền gel đã được kiểm tra cho thấy hàm lượng gel và độ bền tăng khi tăng lượng bức xạ và giảm nồng độ gelatin.
1.8.3. Tổng hợp vật liệu PVA/TB theo phương pháp đóng băng tan chảy(Freezing/Thawing) (Freezing/Thawing)
Tổng hợp hydrogel PVA tinh khiết sử dụng kỹ thuật đóng băng tan chảy đã được nghiên cứu [22, 128], dung dịch PVA 2,5 – 15 khối lượng được đóng băng ở - 200C và tan chảy trở lại nhiệt độ phòng kết quả trong quá trình hình thành tinh thể. Độ kết tinh được đặc trưng sử dụng do sự thay đổi độ đặc của PVA. Sự hình thành tinh thể trong các mẫu được thấy có liên quan đến nồng độ PVA trong dung dịch, thời gian đóng băng, thời gian tan chảy. Độ truyền ánh sáng nhìn thoáng qua mẫu tổng hợp với nồng độ PVA chỉ ra do thời gian tan chảy trong hình sau.
Hình 1.14 Độ truyền qua của ánh sáng theo thời gian [22]
Nhìn chung mức độ tinh thể tăng khi thời gian đóng băng tăng. Trong suốt quá trình tan chảy, kích thước tinh thể ban đầu tăng lên sau đó giảm xuống. Điều này được góp phần làm yên cấu trúc tinh thể. Độ kết tinh tăng khi tăng nồng độ dung dịch PVA.
Nghiên cứu của Mambu giới thiệu khả năng sử dụng gel PVA tinh khiết tổng hợp bằng cách đóng băng-sấy khô gồm quá trình làm lạnh dung dịch PVA trên dưới – 30C sau đó bốc hơi nước chân không.
Độ thủy phân ảnh hưởng lên tính chất đa dạng của gel PVA tổng hợp bằng đóng băng tan chảy. Sự có mặt của lượng lớn axetat có thể hạn chế sự hình thành gel. Quá trình tổng hợp gel PVA bằng kỹ thuật đóng băng tan chảy có sự tham gia các dung môi cũng được khảo sát, Hyon và Ilrada tổng hợp thành phần và lẫn dung môi nước và dung môi hữu cơ phân tán trong nước. Nồng độ PVA trong khoảng từ 2 – 50% khối lượng. Dung môi hữu cơ khảo sát gồm dimetyl sulfoxit, glyxerin, etylen glycol, propylen glycol, etyl ancol. Phương pháp bao gồm quá trình làm lạnh dung dịch dưới O0C cho quá trình kết tinh PVA sau đó bằng quá trình trao đổi dung môi hữu cơ trong gel với nước. Kết quả quá trình này hình thành gel hydrat của PVA với độ bền kéo cao, hàm lượng nước cao, độ truyền ánh sáng cao.
Quá trình kết tinh có thể tăng khi dung dịch ở nhiệt độ thấp trong thời gian dài. Tinh thể do liên kết ngang giữ cấu trúc 3 chiều với nhau. Sự tham gia của dung môi hữu cơ
Stauffer và Deppar khảo sát quá trình tổng hợp và tính chất của vật liệu, dung dịch PVA 10-15% khối lượng đóng băng ở 200C trong 1 đến 24 giờ sau đó tan chảy ở 230C trong 24 giờ trong 5 vòng lặp lại cho thấy dung dịch ở 15% khối lượng gel có tính chất nhiệt, cơ học cao hơn. Đặc biệt gel đóng băng trong 24 giờ trong 5 vòng và tan chảy cho nhiều giai đoạn thời gian cho độ bền cao nhất
Độ trương theo thời gian tan chảy và số vòng chỉ ra cấu trúc dày đặc sau 5 vòng (hình 1.15). Điều này cho thấy liên kết ngang vật lý do sự có mặt các tinh thể, sự tăng này vơi sự tăng số lần đóng băng tan chảy [22, 128].
Hình 1.15 Độ trương trong nước ở 23oC của vật liệu tổng hợp đóng băng/tan chảy sau 2, 3, 4, 5 vòng đóng băng/tan chảy [22]
Tóm lại: Do phản ứng khâu mạch theo phương pháp bức xạ thường rất khó điều khiển mức độ khâu mạch, ngoài ra chi phí thiết bị cao. Phương pháp vật lý là phương pháp đóng băng /tan chảy, cũng cần đến những thiết bị làm lạnh đến – 20oC đến – 30oC, thêm vào đó vấn đề khống chế mức độ khâu mạch điều khiển độ kết tinh của polyme hiện vẫn rất khó khăn. Do phương pháp tổng hợp hóa học biến tính bằng phương pháp: ghép mạch, khâu mạch, hoặc trộn hợp nóng chảy, sử dụng chất khơi mào là các loại peroxit hữu cơ, các chất khâu mạch dạng glutaraldehyt, .... Glutaraldehyt là một aldehyt lưỡng chức tạo thuận lợi cho phản ứng khâu mạch. Phản ứng ghép mạch và khâu mạch PVA với tinh bột hiện đang được lựa chọn nhiều nhất. Các sản phẩm polyme ghép hoặc polyme – blend thường được dùng để gia công màng trong khi các sản phẩm khâu mạch tạo lưới thường dùng xử lý vết thương và làm màng băng sinh học. Vì vậy, phương pháp tổng hợp hóa học vẫn là phương pháp thích hợp nhất để ưu tiên lựa chọn cho nghiên cứu này và để biến tính PVA với tinh bột sử dụng chất khâu mạch glutaraldehyt và chất hóa dẻo glyxerin.
1.9 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG SẢN PHẨM Y TẾ
Các sản phẩm, dù đuợc sản xuất trong các diều kiện vệ sinh nghiêm ngặt vẫn còn bị nhiễm các vi sinh vật (VSV), tuy với một số luợng ban dầu rất ít. Các sản phẩm như vậy được coi là sản phẩm chưa vô trùngvà mục đích của quá trình khử trùng là loại bỏ hoặc bất hoạt các VSV này, đảm bảo an toàn cho nguời sử dụng.
Khử trùng và thanh trùng bằng bức xạ là công nghệ làm bất hoạt và diệt các vi sinh vật trong sản phẩm nhờ các hiệu ứng iôn hóa của các tia bức xạ, hay tia điện tử để khử trùng và thanh trùng các sản phẩm chăm sóc sức khỏe như [4] :
- Dụng cụ y tế:Găng tay cao su y tế, bông, băng gạc, kim tiêm, lưỡi dao phẫu thuật, các sản phẩm mô ghép, ống hút, dây truyền dịch, chai lọ lấy mẫu xét nghiệm, que lấy mẫu, que đè lưỡi, các vật phẩm y tế khác....
- Dược phẩm:Nguyên liệu cho sản xuất tây dược và đông nam dược, bao bì nhựa,... - Mỹ phẩm: Nguyên liệu, bột talc, bao bì nhựa,...
- Dụng cụ nuôi cấy mô, tế bào: Đĩa Petri, hộp nuôi cấy mô, chai nuôi cấy tế bào, dụng cụ lấy mẫu,...
Khử trùng có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất luợng vệ sinh và độ an toàn sản phẩm. Tuy nhiên, khử trùng chỉ là một khâu (thuờng là khâu cuối cùng) trong toàn bộ dây chuyền sản xuất. Quá trình khử trùng bằng bức xạ không thể thay thế các yêu cầu về chất luợng vật liệu, chất luợng bao gói cách ly vi khuẩn cung nhu các yêu cầu vệ sinh môi truờng trong đó sản phẩm duợc sản xuất, đóng gói và lưu trữ. Các phương pháp mô tả dưới đây chủ yếu dùng để diệt hoặc loại bỏ vi khuẩn, nấm men và nấm mốc ra khỏi sản phẩm cần tiệt trùng.
1.9.1 Khử trùng bằng bức xạ ion hóa
Phương pháp này được tiến hành bằng cách cho sản phẩm trong bao bì cuối tiếp xúc với bức xạ ion hóa. Hai nguồn bức xạ ion hóa thường dùng là : tia phát ra từ nguồn phóng xạ thích hợp (ví dụ đồng vị phóng xạ Cobalt 60), và chùm electron năng lượng cao được gia tốc bởi máy gia tốc electron [9].
Đối với phương pháp tiệt trùng bằng bức xạ ion hóa, liều hấp thu chuẩn là 25 kGy. Có thể tiến hành tiệt trùng với liều hấp thu khác với liều hấp thu chuẩn nếu chứng minh được hiệu quả của chế độ tiệt trùng đó chọn. Phải khống chế số lượng vi sinh vật trong sản phẩm trước khi tiệt trùng bằng cách áp dụng qui trình sản xuất và các biện phỏp phũng ngừa thích hợp để đạt được mức bảo đảm vô trùng SAL = 10-6 hay nhỏ hơn. Trong quá trình tiệt trùng phải định kỳ đo bức xạ hấp thu bởi sản phẩm cần tiệt trùng bằng thiết bị đo liều thích hợp. Thiết bị đo liều phải được hiệu chỉnh với nguồn bức xạ chuẩn ít nhất mỗi
1.9.2 Khử trùng bằng nhiệt ẩm
Phương pháp tiệt trùng bằng nhiệt ẩm được tiến hành trong một thiết bị chuyên dùng gọi là nồi hấp, tác nhân tiệt trùng là hơi nước bão hòa dưới áp suất cao. Đây là phương pháp ưu tiên chọn lựa, khi có thể, nhất là đối với các dung dịch nước. Điều kiện chuẩn của phương pháp tiệt trùng bằng nhiệt ẩm là đun nóng ở 121oC trong ít nhất 15 phút đối với các sản phẩm cần tiệt trùng là dung dịch nước trong bao bì cuối. Có thể tiến hành tiệt trùng ở điều kiện nhiệt độ và thời gian khác với điều kiện chuẩn nếu chứng minh được hiệu quả của chế độ tiệt trùng đó chọn. Phải khống chế số lượng vi sinh vật trong sản phẩm trước khi tiệt trùng bằng cách áp dụng qui trình sản xuất và các biện pháp phòng ngừa thích hợp để đạt được mức bảo đảm vô trùng SAL = 10-6hay nhỏ hơn. Trong quá trình tiệt trùng, phải theo dõi và ghi chép lại nhiệt độ và áp suất bên trong nồi hấp. Nhiệt độ thường được theo dõi bằng các đầu dò nhiệt đặt ở phần nguội nhất của nồi hấp. Thông số vận hành của mỗi chu trình tiệt trùng được ghi lại dưới dạng biểu đồ nhiệt độ - thời gian,hay bằng một cách thích hợp khác [9].
1.10 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ POLYVINYL ANCOL BIẾNTÍNH VỚI TINH BỘT TÍNH VỚI TINH BỘT
1.10.1 Ứng dụng làm màng sinh học che phủ các vết thương bỏng