TÍNH VỚI TINH BỘT
1.10.1 Ứng dụng làm màng sinh học che phủ các vết thương bỏng
Da là cơ quan của hệ bài tiết, có nhiệm vụ bao bọc cơ thể, che chở cơ thể khỏi sự tác động, sự ảnh hưởng không có lợi của môi trường bên ngoài đối với cơ thể. Mỗi cơ thể người có diện tích bề mặt của da trung bình cỡ 2m2, do đó da được coi là một trong những bộ phận quan trọng nhất của cơ thể. Các vết thương bỏng (do lửa, nhiệt, xăng, bom, thuốc nổ, nước nóng…. ) hay các vết thương phần mềm do các nguyên nhân khác như: mất da do chấn thương, dập da do tai nạn giao thông, tai nạn lao động, hay hoại tử da do bị các vết loét lâu ngày mà không được điều trị đúng cách, hoặc các vết loét khó lành do hệ quả của bệnh tiểu đường, sau xạ trị ung thư, điều trị ung thư, do các vết mổ nhiễm trùng, vv….Khi bị bỏng mà diện tích bỏng nông đến 90% diện tích cơ thể và bỏng sâu đến 78% diện tích cơ thể sẽ có các biến chứng phức tạp: nhiễm khuẩn huyết, sốc nhiễm khuẩn nhiễm độc, bỏng hô hấp, suy thận cấp, chảy máu tiêu hóa… có thể dẫn đến tử vong. Đặc biệt, nhiều quốc gia trên thế giới hiện nay đã và đang triển khai nghiên cứu sản xuất màng polyme sinh học ứng dụng băng vết thương, giảm sự mất nước, giữ ẩm cho da, chống nhiễm khuẩn, giúp nhanh lên da non, giảm đau và giúp người bệnh chống chọi với các tổn thương trên da [82, 88, 89, 134].
Hình 1.16 Sử dụng màng PVA/TB trong điều trị và xử lý vết thương
1.10.2 Ứng dụng làm màng bao viên thuốc
Ngày nay, những công trình nghiên cứu để chế tạo ra các loại thuốc chữa bệnh phục vụ chăm sóc sức khoẻ cho con người được đặc biệt ưu tiên và phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới. Song song với việc nghiên cứu để xác định phối liệu cho nhân thuốc (tablet core) là nhiệm vụ nghiên cứu để lựa chọn ra vật liệu dùng làm màng bao phim (Film coating) thích hợp đối với từng loại thuốc. Yêu cầu đặt ra đối với màng bao phim ứng dụng trong sản xuất thuốc viên cũng rất ngặt nghèo: ngoài yêu cầu về khả năng tương thích, phù hợp với thành phần cấu tạo của thuốc, màng bao viên còn cần phải có: độ thấm nước và thấm oxy thấp, nhiệt độ tạo màng là thấp, độ bền xuyên thủng cao, đặc biệt màng bao viên không đuợc tạo ra những vết lồi lõm cho viên thuốc v.v. Vật liệu bao viên thuốc trên cơ sở polyvinylancohol (PVA) và chất đồng trùng hợp Acrylic – Methacrylic acid tan nước đã được nhóm tác giả Cunninghau và Fegely lựa chọn. Kết quả cho thấy: hiệu suất quá trình bao viên đối với hai hệ nhựa trên đều đạt trên 90% trên cơ sở tính toán trọng lượng thuốc viên trước và sau bao viên. Quá trình bao viên thuốc sử dụng hai hệ vật liệu trên là rất tốt, các viên thuốc được phủ không thấy có khuyết tật gì [13, 19, 25, 64].
Ngoài ra, một số ứng dụng của vật liệu polyme sinh học trong lĩnh vực y sinh khác như: + Thay thế các mô bị bệnh hoặc không còn tác dụng, ví dụ như làm khớp nhân tạo, van tim, động mạch, răng giả, vật liệu cấy ghép xương, cấy ghép mô, ....
+ Thay thế toàn bộ hoặc một phần chức năng của cơ quan chính như: thẩm tách máu (thay chức năng của thận), thở oxy (phổi), tâm thất hoặc trợ tim toàn phần (tim), phân phối insulin (tuyến tụy)….
+ Giải phóng thuốc vào cơ thể hoặc đến những nơi tế bào bị bệnh (như tế bào ung thư) hoặc duy trì tốc độ phân phối (insulin, pilocarpin, thuốc tránh thai…).
CHƯƠNG 2
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LIỆU VÀ THIẾT BỊ
2.1.1 Nguyên liệu và hoá chất
- Polyvinyl ancol (PVA): PVA dạng xơ dừa, màu trắng (của Đài Loan), màu trắng, khoảng nhiệt độ nóng chảy 150oC – 230oC, khối lượng phân tử trung bình 120.000g/mol, độ thủy phân 99%.
- PVA 205 dạng hạt màu trắng (của Đài Loan); khoảng nhiệt độ nóng chảy 150oC– 180oC, khối lượng phân tử trung bình 40.000g/mol, độ thủy phân 86%.
- PVA 217 dạng hạt tròn màu trắng (của Nhật), khoảng nhiệt độ nóng chảy 150oC– 190oC, khối lượng phân tử trung bình 41.000g/mol, độ thủy phân 89%..
- Tinh bột sắn thô: sản xuất tại Hoài Đức-Hà Tây, Việt Nam, dạng bột màu trắng, khối lượng riêng 1,1 g/cm3, hàm lượng 76%.
- Tinh bột sắn biến tính : sản xuất tại Viện Hóa Học (Việt Nam), dạng bột màu trắng, khối lượng riêng 1,15 g/cm3, hàm lượng 99,5%.
- Glycerin (Gl): dạng lỏng, khối lượng riêng 1,261 g/cm³, nhiệt độ sôi 2900C của Hà Lan. - Sorbitol (Sb): dạng lỏng, trong suốt, khối lượng riêng 1,489g/cm³, nhiệt độ sôi 2960C của Malayxia..
- Polyetylen glycol (PEG 400): dạng lỏng, trong suốt, khối lượng riêng 1,128g/cm³, khối lượng phân tử trung bình 380-420g/mol của Hà Lan.
- Glutaraldehyt (GA) dạng lỏng (dung dịch 50%), của hãng Merck (Đức). - Pesunphat kali (K2S2O8): của hãng Merck (Đức).
- Axit clohydric (HCl); axit sunfuric (H2SO4) loại tinh khiết của hãng Merck (Đức). - Các loại hoá chất phân tích cần thiết khác.
2.1.2 Thiết bị sử dụng
1. Hệ thiết bị tổng hợp hữu cơ: bình cầu 3 cổ nhám (100ml, 200ml, 500ml); có máy khuấy; nhiệt kế và nguồn nhiệt có thể điều chỉnh được nhiệt độ.
2. Bình ổn nhiệt, sinh hàn hồi lưu. 3. Máy lọc hút chân không (Đức). 4. Nhớt kế Ostwald (Đức)
9. Máy chụp phổ IR: Impact - 410 - (Đức)
10. Máy phân tích phổ cộng hưởng từ : AVANCE -500 hãng BRUKER (Đức). 11. Máy phân tích nhiệt vi sai: DTA - Shimadzu - DTA – 50H (Nhật).
12.Thiết bị hấp thụ nguyên tử VARIAN 240F3AA Aligent (Mỹ) xác định hàm lượng kim loại nặng.
13. Máy chiếu xạ Plant PIIPππ-150M (Nga). 14. Nồi hấp tiệt trùng RM05.100-NH(Việt Nam). 15. Thiết bị đo độ vô trùng Millipore-Mỹ.
16. Thiết bị tổng hợp hữu cơ Reactor-Ready RS 37 Digital Plus (hãng Readleys – Đức)
2.2 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG PVA BIẾN TÍNH TINH BỘT
+ Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu đầu
Biến tính tinh bột sắn bằng phương pháp hóa học:
500g tinh bột sắn thô chưa xử lý, sử dụng 100ml HCl 0,5M để biến tính ở khoảng nhiệt độ 50-550C, khối lượng tinh bột/nước cất là 1/3. Hỗn hợp được khuấy trong 6 giờ, được để lắng, rửa và trung hoà bằng NaOH 0,1N đến pH = 7. Tinh bột được lọc trong chân không, sau đó được sấy ở 1000C trong chân không đến khi đạt được khối lượng không đổi.
- Pha dung dịch glutaraldehyt (GA): 1ml dung dịch GA 50% được pha trong 9ml etanol thu được dung dịch GA5%.
+Bước 2: Giai đoạn tạo lưới (quy trình chung):
Hỗn hợp gồm PVA dạng xơ, tinh bột sắn đã được biến tính bằng axit, glyxerin và nước cất được tính theo % khối lượng theo đơn phối liệu cho mỗi dãy thí nghiệm đã định trước được đưa vào bình cầu 3 cổ có sinh hàn nước hồi lưu, thời gian khuấy khoảng 1 giờ, tại 80oC để tạo dung dịch đồng nhất trong suốt. Sau đó cho một lượng dung dịch glutaraldehyt(GA) đã được pha theo tỷ lệ ở trên vào bình cầu vào phễu nhỏ giọt, nhỏ từ từ từng giọt dung dịch GA vào bình phản ứng. Phản ứng tiếp tục được khuấy liên tục ở nhiệt độ cần khảo sát từ 60oC -100oC trong khoảng thời gian đã định để tạo mạng lưới không gian giữa PVA và tinh bột.
+Bước 3: Giai đoạn cán tráng và hoàn thiện
Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch phản ứng được tạo màng bằng phương pháp cán tráng trên kính với kích thước 120x180x1mm. Chú ý tránh tạo bọt trong khi cán tráng. Mẫu màng được sấy khô trong chân không ở 50oC trong 8 giờ đến khối lượng không đổi, sau đó được cắt tạo mẫu theo tiêu chuẩn để được đo xác định tính chất cơ lý.
Tất cả các mẫu thí nghiệm được lưu giữ, bảo quản trong bình hút ẩm tại nhiệt độ phòng.
PVA Nước cất Trộn đều Tinh bột sắn thô Biến tính tinh bột sắn bằng dung dịch HCl 0,5 -5% Tách lọc để loại tạp chất Trung hòa bằng NaOH
0,1N Lọc, sấy chân không ở 100oC Đóng gói và bảo Tinh bột sắn biến tính Glyxerin Trộn hợp dung dịch ở 80oC, 1 giờ Dung dịch đồng nhất Pha dung dịch glutaraldehyt Phản ứng tổng hợp ở 80oC, 3
giờ, khuấy liên tục Tráng màng
Sấy chân không ở 50oC, trong 8 giờ
Sơ đồ thực nghiệm tổng hợp chế tạo màng PVA biến tính tinh bột được trình bày trên hình 2.1. Đã tiến hành các thí nghiệm để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột như: tỷ lệ thành phần PVA/TB, bản chất PVA, hàm lượng các chất hóa dẻo, các tác nhân khâu mạch, hàm lượng xúc tác và các điều kiện phản ứng tổng hợp và gia công chế tạo màng PVA biến tính tinh bột.
a. Đơn phối liệu khảo sát tỷ lệ thành phần PVA/TB:
+ Điều kiện cố định: - Glyxerin = 6 gam ( 30% theo tổng PVA+TB)
- Dung dịch GA 5% trong etanol = 1,2ml (0,3% theo tổng PVA+TB).
- Nước cất: 100ml; - Nhiệt độ = 80oC.
- Thời gian phản ứng = 3 giờ. - Tốc độ khuấy 300 vòng/phút.
+ Điều kiện thay đổi : tỷ lệ thành phần PVA/TB thay đổi theo thứ tự lần lượt như sau Ký hiệu Tỷ lệ thành phần PVA/TB, [%] Khối lượng PVA, [g] Khối lượng tinh bột, [g] Tổng KL PVA +TB, [g] TP1 100/0 20 0 20 TP2 95/5 19 1 20 TP3 90/10 18 2 20 TP4 85/15 17 3 20 TP5 80/20 16 4 20 TP6 75/25 15 5 20 TP7 70/30 14 6 20 TP8 60/40 12 8 20 TP9 50/50 10 10 20
b. Đơn phối liệu khảo sát hàm lượng chất hóa dẻo
+ Điều kiện cố định: - PVA dạng xơ = 16gam - Tinh bột biến tính = 4 gam - Nước cất= 100ml.
- Nhiệt độ tạo lưới = 80oC, - Thời gian phản ứng 3 giờ;
- Dung dịch GA 5% trong etanol = 1,2 ml (0,3% theo Khối lượng PVA+TB)
- Thay đổi hàm lượng glyxerin lần lượt là: 5%; 10%; 20%; 25%; 30%; 35%; 40%; 50% PKL. Hàm lượng
glyxerin [%PKL]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 50
Khối lượng, [g] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10
c, Đơn phối liệu khảo sát hàm lượng tác nhân khâu mạch
+ Điều kiện cố định: - PVA dạng xơ = 16gam - Tinh bột biến tính = 4 gam - Glyxerin = 6 gam.
- Nước cất = 100ml. - Nhiệt độ tạo lưới = 80oC,
- Thời gian phản ứng 3 giờ;
+ Điều kiện thay đổi 3 loại tác nhân tạo lưới lần lượt là: glutaraldehyt (GA), kaliperdisunfat (K2S2O8) và axit boric (H3BO4)..
+ Điều kiện thay đổi hàm lượng tác nhân glutaraldehyt tính theo khối lượng PVA và tinh bột như sau Hàm lượng GA [%] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Thể tích dung dịch, [ml] 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8
d, Đơn phối liệu khảo sát hàm lượng chất xúc tác
+ Điều kiện cố định: - PVA dạng xơ = 16gam - Tinh bột biến tính = 4 gam - Glyxerin = 6 gam
- Dung dịch GA 5% = 1,2ml (0,3% theo tổng KL PVA+TB) - Nước cất = 100ml.
- Nhiệt độ tạo lưới = 80oC, - Thời gian phản ứng 3 giờ;
+ Điều kiện thay đổi: sử dụng axit HCl hoặc axit H2SO4 làm chất xúc tác . Thay đổi hàm lượng tác nhân HCl 0,1N tính theo khối lượng PVA và tinh bột như sau
Thể tích dung dịch, [ml]
0 0,55 1,10 1,65 2,20 2,75 3,30 3,85 4,40 4,95
e, Đơn phối liệu khảo sát các điều kiện công nghệ
+ Điều kiện cố định: - PVA dạng xơ = 16gam - Tinh bột biến tính = 4 gam - Glyxerin = 6gam
- Dung dịch GA 5% = 1,2ml (0,3% theo tổng KL PVA+TB). - Nước cất= 100ml.
+ Điều kiện thay đổi nhiêt độ: nhiệt độ được thay đổi lần lượt là: 60oC; 70oC; 80oC; 90oC và 100oC
+ Điều kiện thay đổi thời gian phản ứng: thời gian tạo lưới được thay đổi lần lượt là: 1,0 giờ ; 1,5 giờ; 2,0 giờ; 2,5 giờ; 3,0 giờ; 3,5 giờ và 4,0 giờ .
+ Điều kiện thay đổi tốc độ khuấy: tốc độ khuấy được thay đổi lần lượt là: 100 vòng/phút; 150 vòng/phút; 200 vòng/phút; 250 vòng/phút; 300 vòng/phút; 350 vòng/phút; 400 vòng/phút; 450 vòng/phút và 500 vòng/phút.
2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU2.3.1 Phổ hồng ngoại 2.3.1 Phổ hồng ngoại
Phổ hồng ngoại (IR) được đo trên máy BRUKER-TENSOR của Đức. Các mẫu được đo dưới dạng bột mịn, trộn lẫn KBr, ép thành viên hoặc dưới dạng màng mỏng.
2.3.2 Phổ cộng hưởng từ
Phổ cộng hưởng từ 1H-NMR và 13C-NMR được thực hiện trên thiết bị NMR D8 AVANCE - BRUKER (Đức).
2.3.3 Phổ nhiễu xạ tia X
Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray) được thực hiện trên thiết bị Bruker D 5005 (Đức).
2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt DSC và TGA
Tính chất nhiệt của polyme được xác định trên thiết bị Perkin Elmer-Moldel Pyris Sapphire (Nhật). Mẫu đựng trong chén plantin, được gia nhiệt với tốc độ tăng nhiệt 10oC/phút, trong môi trường khí nitơ từ nhiệt độ 200C lên 500oC. Trước khi tiến hành phân tích mẫu được sấy chân không ở 600C trong 10 giờ.
2.3.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
Xác định cấu trúc bề mặt của mẫu bằng cách chụp trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) JEOL JMS 6360LV của Nhật Bản.
Cách tiến hành: Mẫu được cắt trên máy Microtom, sau đó phủ lớp dẫn điện Ag trên máy Agar Auto Sputter Coater trước khi chụp.
2.3.6 Xác định khối lượng phân tử của polyme
Để xác định khối lượng phân tử của các loại PVA ban đầu có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau dựa vào sự phụ thuộc của một đặc trưng vật lý nào đó của hợp chất polyme với khối lượng phân tử khối của nó. Các đặc trưng đó có thể là áp suất thẩm thấu, độ phân tán ánh sáng, độ nhớt, độ giảm nhiệt độ đông đặc, độ tăng nhiệt độ sôi... Phương pháp đo độ nhớt là phương pháp đơn giản về mặt thực nghiệm, đồng thời cho phép đánh giá phân tử khối trong khoảng tương đối rộng (M = 104106) tuy phương pháp này không hoàn toàn chính xác. Bằng cách xác định thời gian chảy của dung dịch PVA( có nồng độ từ 0.1 đến 1.0 g/dl) trong chloroform ở 25oC với nhớt kế Ostwald hay Ubbelohde. Các dung dịch đo được pha theo tỷ lệ 0.1 -1.0% và mỗi phép đo được lập lại 5 lần rồi lấy kết quả trung bình. Các giá trị thu được sẽ được sử dụng để xác định độ nhớt đặc trưng [] từ đây ta có thể xác định khối lượng phân tử trung bình của polyme qua phương trình Mark-Houwink [32]:
[] = k.M
Trong đó k và là các hằng số đặc trưng cho tầng hệ và được xác định bằng các phương pháp chuẩn khác. Trong đó khối lượng phân tử trung bình trọng lượng Mw của PVA có các hằng số k= 73,1 x 10-5và α = 0,616.
2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA POLYME 2.4.1 Phương pháp đo độ bền kéo đứt của màng
Độ bền kéo được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D882 đo trên máy LLOYD INSTRUMENT 5kN của Anh, tốc độ kéo 20mm/phút, nhiệt độ 250C độ ẩm 75%. Tất cả các mẫu đo có kích thước theo tiêu chuẩn hình mái chèo, chú ý chọn những mẫu đều đặn - không khuyết tật. Mỗi mẫu tiến hành thực hiện 3 phép đo. Kết quả lấy giá trị trung bình của ba phép đo. Mẫu đo độ bền kéo đứt có dạng như hình vẽ:
A là tiết diện ngang của mẫu [mm2]
2.4.2 Phương pháp xác định độ bền kháng thủng của màng
Độ bền kháng thủng xác định theo tiêu chuẩn ASTM D4833-00 trên máy LLOYD INSTRUMENT 5kN của Anh, đường kính trụ chọc thủng màng là 8mm.
2.4.3 Phương pháp xác định hàm lượng phần gel
Hàm lượng phần gel của màng PVA biến tính tinh bột đã khâu mạch được xác định bằng phương pháp trích ly trong bộ Soxhlet bằng etanol 96%, trong 16 giờ. Phần gel là phần tạo thành mạng lưới không gian không bị trích ly bởi etanol trong dụng cụ Soxhlet với thời gian 15 – 20 giờ.
+ Quá trình xác định : Giấy lọc trước khi cân phải trích ly bằng etanol trên dụng cụ Soxhlet koảng 3 giờ. Sau đó sấy khô tới khối lượng không đổi và để trong bình hút ẩm. Cân khối lượng giấy lọc (c) , khối lượng mẫu và giấy lọc (b) trên cân phân tích trước khi trích ly trong etanol. Sau đó cho vào dụng cụ Soxhlet để trích ly với thời gian 16 giờ. Khi đã đạt