TỔNG QUAN
Giới thiệu về hydrogel
Hydrogel là các polyme ưa nước có cấu trúc ba chiều, có khả năng trương nở trong nước mà không tan Chúng được xem là polyme khâu mạch với tính chất nhớt đàn hồi hoặc đàn hồi thuần túy Hydrogel có khả năng hấp thụ nước rất lớn, lên đến hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng Tính chất này làm cho hydrogel trở nên hữu ích trong nhiều ứng dụng, bao gồm kính áp tròng, vận chuyển thuốc, tách protein, công nghệ tế bào và xúc tác.
- Dựa trên các kiểu khâu mạch thì có 2 cách phân loại hydrogel [12,1]
Hydrogel khâu mạch vật lý được hình thành nhờ vào lực hấp dẫn phi hóa trị giữa các mạch polyme, chủ yếu là các tương tác ion hoặc kỵ nước.
Hydrogel khâu mạch hóa học có độ bền cao hơn so với hydrogel khâu mạch vật lý nhờ vào việc hình thành các liên kết ngang là liên kết cộng hóa trị.
Hydrogel được phân loại dựa trên kích thước thành hai loại chính: macrogel và microgel Macrogel là các gel lớn với kích thước từ mm trở lên, trong khi microgel là hydrogel ổn định dạng keo có kích thước dao động từ nm đến µm.
Hydrogel được chia thành hai loại chính: gel ứng đáp kích thích và gel không ứng đáp Gel không ứng đáp hấp thụ nước mà không thay đổi tính chất, trong khi gel ứng đáp kích thích, được gọi là vật liệu “thông minh”, có khả năng phản ứng với các thay đổi trong môi trường như nhiệt độ, pH, lực ion, ánh sáng, điện trường và các phân tử sinh học Tính chất “thông minh” này của hydrogel xuất phát từ các polyme được sử dụng trong cấu trúc của chúng.
Hydrogel có thể được phân loại dựa trên thành phần monome trong phương pháp điều chế, bao gồm hydrogel trùng hợp từ một loại monome duy nhất và hydrogel đồng trùng hợp được tổng hợp từ hai loại monome trở lên.
Hydrogel được phân loại thành ba loại chính: Hydrogel vô định hình, trong đó các mạch được sắp xếp ngẫu nhiên; Hydrogel nửa kết tinh, với các vùng tập trung các phân tử lớn có cấu trúc; và Hydrogel chứa các liên kết hydro.
Hydrogel là một loại polyme trương nước, có khả năng hấp thụ nước khi tiếp xúc với môi trường ẩm Đặc tính này, cùng với tính tương hợp sinh học, khiến hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng cho việc vận chuyển thuốc, cố định protein, peptide và các hợp chất sinh học khác Với hàm lượng nước cao, hydrogel giống tế bào sống tự nhiên hơn so với các vật liệu sinh học tổng hợp khác Cấu trúc 3 chiều của hydrogel được hình thành qua các liên kết vật lý hoặc hóa học, cho phép cố định các tác nhân hoạt động và giải phóng chúng một cách hiệu quả Nhờ vào khả năng tương hợp sinh học và cấu trúc linh hoạt, hydrogel có nhiều ứng dụng đa dạng trong y học và công nghệ sinh học.
Đối với các ứng dụng không phân hủy sinh học, chất mang nền gel cần duy trì tính bền vững cơ học và vật lý, do đó độ bền cơ học của gel là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ điều trị Gel mang thuốc phải bảo vệ các phân tử sinh học khỏi môi trường có hại trong cơ thể, như pH quá cao hoặc quá thấp, trước khi giải phóng tại vị trí cần thiết Để đạt được điều này, gel cần có độ bền vật lý và cơ học cao, cho thấy tính hiệu quả của nó như một vật liệu sinh học Độ bền có thể được cải thiện bằng cách bổ sung tác nhân tạo lưới và tăng mức độ khâu mạch, tuy nhiên, cần xác định mức độ khâu mạch tối ưu để tránh tính dòn hoặc ít đàn hồi Tính đàn hồi của gel cũng rất quan trọng để đảm bảo độ mềm dẻo của các mạch tạo lưới, hỗ trợ cho quá trình di chuyển của các tác nhân sinh học Do đó, việc cân bằng giữa độ vững chắc và độ mềm dẻo của hệ gel là cần thiết để sử dụng hiệu quả các vật liệu này.
* Tính chất tương hợp sinh học
Hydrogel, một vật liệu tổng hợp quan trọng, nổi bật với khả năng thiết kế tương hợp sinh học và không độc, trở thành polyme y sinh khả dụng Các polyme y sinh cần trải qua thử nghiệm độc tế bào và độc tính in vivo, vì độc tính thường phát sinh từ monome chưa phản ứng, oligome và chất khơi mào giải phóng trong quá trình ứng dụng Do đó, việc đánh giá độc tính của tất cả vật liệu tạo gel là cần thiết để xác định tính phù hợp cho ứng dụng sinh học Để giảm nguy cơ gây độc, các chất khơi mào có thể được loại bỏ thông qua kỹ thuật trùng hợp bằng bức xạ Hơn nữa, động học của quá trình trùng hợp cũng được nghiên cứu để đạt tốc độ chuyển hóa cao, nhằm tránh monome chưa phản ứng và sản phẩm phụ.
* Tính chất trương và nhả trương
Khả năng trương của hydrogel được xác định bởi không gian bên trong mạng hydrogel có thể chứa nước, phụ thuộc vào lực tương tác giữa polyme và nước Polyme có cấu trúc ưa nước mạnh mẽ hơn sẽ tạo ra tương tác polyme-nước tốt hơn Hydrogel với nhiều nhóm chức ưa nước sẽ trương lên trong nước do lực tương tác này Nếu hydrogel chứa các nhóm ion, sự thẩm thấu sẽ xảy ra do sự khác biệt nồng độ ion giữa gel và dung dịch bên ngoài; áp suất thẩm thấu sẽ tăng khi nồng độ ion chênh lệch lớn Các ion trong hydrogel xuất phát từ sự ion hóa của các nhóm ion gắn trên mạch chính, dẫn đến việc hydrogel được phân loại thành anion hoặc cation tùy thuộc vào điện tích của chuỗi polyme Các điện tích ion trong chuỗi polyme sẽ đẩy nhau trong dung dịch nước, tạo ra không gian cho sự hấp thụ nước.
Ba lực chính là tương tác polyme-nước, lực tĩnh điện và thẩm thấu ảnh hưởng đến sự mở rộng của mạng hydrogel Hydrogel trương được định nghĩa là khả năng hòa tan hạn chế, trong khi độ hòa tan không giới hạn bị ngăn cản bởi các lực đàn hồi từ các mạng liên kết chéo Sự cân bằng giữa hai lực này quyết định trạng thái trương của hydrogel.
1.1.4 Ứng dụng của hydrogel và một số hydrogel ứng đáp môi trường khác
Hydrogel, đặc biệt là hydrogel thông minh nhạy với môi trường có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nông nghiệp, công nghệ sinh học và y tế [1]
Hydrogel siêu hấp thụ nước có khả năng dự trữ nước lớn, giúp giảm tỉ lệ chết và công sức chăm sóc thực vật, đặc biệt hữu ích trong các vùng khô hạn và khi vận chuyển cây Khi trương, hydrogel cải thiện cấu trúc đất, tăng cường lưu thông và thoát nước Ngoài ra, hydrogel có thể được bổ sung photpho hoặc natri photphat để thúc đẩy sự phát triển của thực vật như cây ớt cay, hành, và rau diếp, đồng thời cải thiện hàm lượng nitơ trong đất Sử dụng hydrogel hợp lý có thể nâng cao khả năng nảy mầm và sống sót của cây non, giảm công sức chăm sóc và tăng hiệu quả sử dụng phân bón.
Hydrogel được ứng dụng rộng rãi trong các phương pháp quan trọng để dẫn thuốc vào cơ thể, bao gồm dẫn thuốc qua miệng, đường tiêu hóa, cũng như điều trị qua da và các liệu pháp chữa trị da.
Fang J.Y và các cộng sự đã nghiên cứu và phát triển các hydrogel cationic có khả năng trương nở và nhả thuốc nhạy cảm với pH, nhằm mục đích vận chuyển kháng sinh hiệu quả trong môi trường axit của dạ dày.
Hydrogen nhạy nhiệt
Các hydrogel nhạy nhiệt, được nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực hệ dẫn thuốc, có khả năng trương hoặc nhả trương khi nhiệt độ môi trường thay đổi Chúng được phân loại thành ba loại: nhạy nhiệt dương, nhạy nhiệt âm và nhạy nhiệt thuận nghịch Các polyme như PNIPAM, metyl xenllulo, pluronic, tetronic và N-vinyl caprolactam đặc trưng bởi hiện tượng chuyển pha sol-gel phụ thuộc vào nhiệt độ, với nhiệt độ hòa tan giới hạn dưới (LCST) và nhiệt độ hòa tan giới hạn trên (UCST) tương ứng với nhiệt độ hóa rắn của gel.
Hình 1.1 Cấu tạo của monome để tổng hợp polyme nhạy nhiệt
1.2.1 Ứng dụng của hydrogen nhạy nhiệt:
Hydrogel nhạy nhiệt và hydrogel thông minh có khả năng trương và nhả trương, do đó chúng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, công nghệ sinh học và y học Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc giữ nước cho đất trồng trọt, sản xuất vật liệu siêu thấm, chất trao đổi ion và làm mỹ phẩm Đặc biệt, ứng dụng trong y học là một trong những lĩnh vực nổi bật của hydrogel.
1.2.2 Các phương pháp tổng hợp Hydrogel
Hydrogel là một polyme mạng lưới có khả năng hút nước, thường được tạo ra từ các monome ưa nước, đôi khi kết hợp với monome kỵ nước để tùy chỉnh tính chất cho các ứng dụng cụ thể Quá trình tổng hợp hydrogel bao gồm ba thành phần chính: monome, chất khơi mào và tác nhân liên kết ngang Để kiểm soát sản phẩm và nhiệt độ trùng hợp, chất pha loãng như nước có thể được sử dụng Sau khi tổng hợp, hydrogel cần được rửa sạch để loại bỏ tạp chất như monome không phản ứng và các sản phẩm không mong muốn Các tính chất của hydrogel có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các yếu tố trong quá trình tổng hợp, bao gồm bình phản ứng, thời gian và nhiệt độ phản ứng, loại monome và tác nhân liên kết ngang, cũng như tỷ lệ và nồng độ của chúng.
Hydrogel thường được sản xuất qua các phương pháp trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch và kỹ thuật phân tán ngược Trong đó, trùng hợp dung dịch được ưa chuộng nhất vì dễ kiểm soát nhiệt độ và tính chất polyme Hầu hết hydrogel có độ trương lớn được tạo ra bằng phương pháp này, với các monome, chất khơi mào và tác nhân liên kết ngang dễ tan trong nước Sản phẩm có thể được sấy khô và nghiền thành bột cho nhiều ứng dụng khác nhau Kích thước hạt cũng rất đa dạng; ví dụ, hạt 150-300 mm thường dùng trong sản phẩm vệ sinh, trong khi hạt nhỏ hỗ trợ nảy mầm và hạt lớn giúp làm ẩm đất trong nông nghiệp Kỹ thuật phân tán nghịch đảo cũng cho phép điều chế hydrogel ở kích thước micron, với pha phân tán là dung dịch nước và pha liên tục là dung dịch hữu cơ Tuy nhiên, việc loại bỏ dung môi hữu cơ như n-hexan và toluen vẫn là một thách thức lớn trong quy trình này.
Hình 1.2 mô tả một quá trình trùng hợp hydrogel
1.2.2.2 Phương pháp tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở chitosan và pluronic.
Pluronic, hay còn gọi là poly (ethylene oxide)–poly (propylene oxide)–poly (ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO), có đặc tính biến đổi thể chất theo nhiệt độ Ở nhiệt độ thấp (0 – 4 o C), dung dịch Pluronic tồn tại dưới dạng lỏng, nhưng khi nhiệt độ tăng lên (20 ~ 25 o C), nó chuyển sang dạng gel rắn Dạng gel này sẽ trở lại trạng thái lỏng khi nhiệt độ giảm Sự biến đổi này xảy ra do nhóm PEO ưa nước và nhóm PPO kị nước, tạo thành micelles với nhân là PPO và lớp vỏ ngoài là PEO Khi nhiệt độ tăng, nước bị loại bỏ và cấu trúc của các nhóm kị nước thay đổi, khiến các nhóm PPO tiến lại gần nhau, tạo thành micelles bền nhiệt động polymer và ngăn cản PEO tiếp xúc với nước, dẫn đến sự hình thành gel.
Mặc dù pluronic là một vật liệu nhạy nhiệt hiệu quả, nó vẫn gặp phải nhiều hạn chế, đặc biệt là độ bền cơ học kém dẫn đến sự sói mòn nhanh chóng, làm cho bề mặt gel dễ bị hòa tan và gây ra hiện tượng giải phóng thuốc hoặc phân tử tải nhanh chóng Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp, trong đó phương pháp của Allan S Hoffman (1997) đã thành công trong việc sử dụng một polyme có tính chất kết dính sinh học để làm chậm quá trình giải phóng thuốc.
Chitosan, một dạng chitin đã được khử axetyl và có nguồn gốc tự nhiên từ vỏ tôm, là một polyme sinh học không độc hại dưới dạng polysaccharide Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng ứng dụng của hydrogel dựa trên chitosan trong việc chữa lành vết thương, tái tạo sụn, và mang thuốc Đặc biệt, chitosan có các nhóm amine tích điện dương, cho phép nó tương tác với các nhóm tích điện âm, tạo ra đặc tính kết dính Việc kết hợp chitosan với pluronic có thể giải quyết các vấn đề khi sử dụng pluronic một mình, đặc biệt trong việc kiểm soát quá trình nhả chậm của các hoạt chất chữa bệnh từ các hệ hydrogel nhạy cảm nhiệt.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt từ chitosan và pluronic 407 (Pluronic F127) thông qua liên kết tĩnh điện giữa nhóm amine trên chitosan và nhóm NPC gắn trên Pluronic Phức hệ Pluronic – Chitosan được xác định bằng phổ NMR, trong khi tính chất nhạy nhiệt của hệ được đánh giá qua nhiệt độ tạo gel và nhiệt độ ở dạng dung dịch bằng phương pháp thử nghiệm đảo ngược.
* Cơ sở phản ứng tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở chitosan và pluronic
Phương pháp tổng hợp Pluronic- chitosan dựa trên nguyên tắc liên kết urethane, được hình thành từ phản ứng giữa nhóm -NH2 của chitosan và nhóm C=O của hợp chất carbonate Phản ứng này diễn ra theo cơ chế tương tự như phản ứng ester hóa.
NCKH TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Page 18
Nguyên tử carbon trong nhóm C=O của phân tử NPC tạo ra mật độ điện tích dương, hình thành trung tâm thiếu điện tử, trong khi nguyên tử oxy của phân tử pluronic có hai đôi điện tử tự do, dẫn đến mật độ điện tích âm Sự tương tác giữa trung tâm thiếu điện tử của NPC và tác nhân ái nhân từ pluronic tạo ra liên hợp pluronic - p-nitrophenyl carbonate NPC là chất hoạt tính mạnh, dễ phân hủy trong nước, do đó cần làm khan tác chất và dung môi để đạt hiệu suất phản ứng tối ưu Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ thấp, khuấy liên tục trong môi trường khí nitơ để tránh oxy hóa sản phẩm Để hạn chế thủy phân của NPC và sản phẩm, các thao tác cần được thực hiện nhanh chóng Sản phẩm thu được phải được sấy khô trong tủ sấy chân không và bảo quản trong bình hút ẩm, tránh ánh sáng và độ ẩm không khí để ngăn ngừa thủy phân.
Các chất tạo thành không mong muốn
Sản phẩm được hình thành từ sự tương tác giữa NPC – pluronic và chitosan, với phản ứng diễn ra tương tự như ester hóa Nhóm NH2 trên chitosan phản ứng với nhóm C=O của NPC-pluronic, tạo ra hai ion: ion 4-nitrophenolate và ion CnH2n+1O Trong đó, ion 4-nitrophenolate chiếm ưu thế nhờ vào sự cộng hưởng, giúp ổn định điện tích và tăng cường độ bền của ion Do đó, phản ứng chủ yếu tạo ra ion 4-nitrophenolate, đây cũng là kết quả mà chúng ta mong muốn.
Trong quá trình phản ứng, cần sử dụng một lượng p-nitrophenyl carbonate dư để tăng hiệu suất gắn pluronic vào chitosan, do chitosan chứa nhiều nhóm -NH2 Phản ứng này được thực hiện liên tục trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng và cần tránh tiếp xúc với ánh sáng để hạn chế quá trình oxy hóa.
Sau phản ứng, lượng thừa sẽ được loại bỏ thông qua phương pháp thẩm tách, bằng cách thay nước nhiều lần cho túi thẩm tách, nhằm loại bỏ chitosan và NPC-Pluronic dư thừa.
TỔNG HỢP HIDROGEN NHẠY NHIỆT TỪ DẪN XUẤT CHITOSAN
Thực nghiệm tổng hợp hidrogen nhạy nhiệt từ dẫn xuất chitosan
2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất
This article discusses key chemical compounds and materials, including Chitosan (3000 MW, 95% acetylated), Pluronic F127 (Mw: 12,500 g/mol from Acros Organics), and p-nitrophenyl chloroformate (NPC) (Mw: 201.56 g/mol from BASF Corp) It also highlights the use of solvents such as Tetrahydrofuran (THF), Diethyl ether, and Dimethylformamide (DMF), along with 3-amino-1-propanol (99% from Acros Organic) and hydrochloric acid (HCl) at 0.1%.
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị
- Lọ nhỏ có nắp kín: 2 cái.
- Cân phân tích điện tử - HADAM AEP – 250G (4 số lẻ).
- Máy khuấy từ gia nhiệt và cá từ
- Máy cô quay chân không.
- Túi thẩm tách Por 7 Regenerated Cellulose Membrane, MWCO: 3000 D được mua của Aldrich
Hình 2.1 Quy trình chung tổng hợp chitosan-pluronic
Hình 2.2 Quy trình hoạt hóa pluronic bằng NPC.
15 gam F127 được nung trong bình cầu 250ml ở 80 o C trong môi trường hút chân không khoảng 1 giờ 30 phút để đảm bảo F127 tan chảy và không có độ ẩm Sau đó, thêm 0.5g NPC (2.4 mmol) và khuấy liên tục 5 giờ trong khí N2 ở 70 o C – 80 o C Sau khi hạ nhiệt độ, thêm 40ml THF và khuấy ở nhiệt phòng Dung dịch phản ứng được tủa với 250ml diethyl ether trong 3 giờ ở 0 o C, sau đó lọc rửa kết tủa với diethyl ether 2-3 lần Cuối cùng, sản phẩm được co quay để loại bỏ dung môi, thu được bột màu trắng mịn Cấu trúc NPC-F127-NPC sau hoạt hoá được xác định bằng phổ IR và 1 H-NMR (NMR, Bruker AC 500 MHz spectrometer).
Hình 2.3 Sản phẩm NPC-F127-NPC
Hình 2.4 quy trình tổng hợp NPC-F127-Amin
92 ml 3-amino-1-propanol (1.2 mmol) được hòa tan trong 50 ml THF và từ từ thêm vào dung dịch chứa 15 gam NPC-F127-NPC cũng hòa tan trong 50 ml THF, khuấy đều trong 12 giờ ở nhiệt độ phòng Sau phản ứng, dung dịch được kết tủa trong diethyl ether trong 3 giờ ở nhiệt độ 0°C Kết tủa được lọc rửa và loại bỏ dung môi, thu được sản phẩm dạng bột màu trắng mịn Cấu trúc NPC-F127-NPC sau khi gắn với 3-amino-1-propanol được xác định bằng phổ 1H-NMR.
2.1.3.3 Tổng hợp copolymer ghép Chitosan- Pluronic F127
Hình 2.5 Quy trình tổng hợp copolymer ghép Chitosan- Pluronic F127
0.25g Chitosan hoà tan trong môi trường dung dịch pH~ 3, khuấy đều trong 24 h, sau đó điều chỉnh pH về 5.5 và đem lưu trữ ở nhiệt độ 4 o C cho phản ứng tiếp theo. NPC-F127-Amin (0.25g, 0.5g, 0.75g, 1g, 1.25g, 2.5g, 3.75g và 5g) hoà tan trong nước cất ở nhiệt độ 4 o C, khuấy khoảng 1 giờ, rồi đem giữ lạnh ở nhiệt độ 4 o C trong 24 giờ. Dung dịch NPC- F127- Amin được cho vào dung dịch Chitosan lạnh và khuấy trong
Trong quy trình chế biến, mẫu cần được giữ ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ và lạnh ít nhất 24 giờ trước khi thực hiện thẩm tách bằng màng cellulose có trọng lượng phân tử từ 12000 đến 14000 MW Thẩm tách trong nước cất kéo dài khoảng 1 tuần trước khi mẫu được đông khô Sản phẩm Chitosan- Pluronic F127 sau đó sẽ được phân tích bằng phổ 1H-NMR để xác định cấu trúc và phần trăm copolymer ghép.
Đánh giá đặc tính nhạy nhiệt của copolymer
Copolymer ghép được hòa tan trong nước cất với nồng độ từ 5% đến 20%, sau đó khuấy đều để đảm bảo copolymer thấm nước hoàn toàn Sản phẩm cần được giữ lạnh ít nhất 24 giờ để đạt được hỗn hợp đồng nhất trước khi khảo sát Đánh giá khả năng nhạy nhiệt của copolymer ghép được thực hiện bằng phương pháp đo lưu biến học, với các nhiệt độ khảo sát là 4°C, 25°C, 30°C, 37°C và 40°C.
50 o C nhằm xác định nhiệt độ tạo gel của các nồng độ pluronic khác nhau khi pha cùng
Phương pháp lý hóa đánh giá vật liệu
Cấu trúc copolymer ghép Pluronic F127 và chitosan đã được phân tích bằng phổ NMR trên máy Bruker AC 500 MHz tại Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam Quá trình chuyển pha sol-gel của vật liệu này được xác định thông qua phương pháp thử nghiệm đảo ngược.