2.4.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của PLA, CS, màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL, hạt tổ hợp PLA/CS mang thuốc quinin
400 - 4000 cm-1
Viện Kỹ thuật nhiệt đới. Phổ IR đƣợc ghi dƣới dạng đƣờng cong phụ thuộc phần trăm truyền qua vào số sóng (1/λ) hay bƣớc sóng của bức xạ, sau khi đã bù trừ phổ nền của không khí. Nghiên cứu cấu trúc của PLA, chitosan, màng tổ hợp PLA/CS và hạt tổ hợp này mang thuốc quinin bởi sự thay đổi cƣờng độ hấp thụ và sự dịch chuyển các pic đặc trƣng, từ đó dự đoán sự tƣơng tác giữa các nhóm chức trong PLA và CS. Dung dịch nƣớc thuốc (nƣớc) nƣớc nƣớc/dầu PLA trong DCM (dầu) n/d/n CS + PEO trong axit axetic 1% (nƣớc) Nhũ tƣơng nano (n-d-n)
45
Hình 2.4. Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ).
2.4.2. Phƣơng pháp phân tích nhiệt lƣợng quét vi sai
Phƣơng pháp phân tích nhiệt lƣợng quét vi sai (DSC) đƣợc thực hiện bằng cách đo sự thay đổi nhiệt lƣợng tỏa ra hay thu vào của vật liệu khi tăng hay giảm nhiệt độ. Từ giản đồ DSC và phần mềm kết nối với thiết bị DSC ta thu đƣợc các thông số nhiệt đặc trƣng của vật liệu nhƣ nhiệt độ kết tinh (Tc), nhiệt độ nóng chảy (Tm), nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg)… Mẫu đƣợc ghi giản đồ DSC trên máy DSC- 60 của hãng Shimadzu (Nhật Bản) ở điều kiện: gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 200o
C, tốc độ nâng nhiệt độ 5oC/phút trong khí argon, tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Khoa Hóa học, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội.
46
Hình 2.5. Máy phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)
2.4.3. Nghiên cứu hình thái cấu trúc
Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt và mặt cắt với độ phóng đại lớn gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học vì bƣớc sóng của chùm tia điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với bƣớc sóng của ánh sáng vùng khả kiến. Phƣơng pháp FESEM cho biết kích thƣớc hạt, đặc trƣng bề mặt và cấu trúc vật liệu cần nghiên cứu.
- -
sau:
- Mẫu ở dạng tấm phẳng đƣợc phủ một lớp vàng mỏng để dẫn điện. - Mẫu đƣợc chụp trong môi trƣờng khí nitơ.
47
Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường S- 4800 (Hitachi, Nhật Bản)
2.4.4. Quang phổ tử ngoại và khả kiến
Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ điện tử vùng tử ngoại và khả kiến (UV-Vis) đƣợc áp dụng để xác định định tính, định lƣợng, cấu trúc, nghiên cứu phức chất (xác định thành phần, hằng số bền), hệ số hấp thụ phân tử, nghiên cứu cân bằng ion trong dung dịch, nghiên cứu thuốc thử hữu cơ,... Các bức xạ đơn sắc tử ngoại và khả kiến đƣợc chiếu đến cuvet thạch anh đựng dung môi và dung dịch cần đo.
Bộ phận phân tích (detector) sẽ so sánh cƣờng độ chùm sáng đi qua dung dịch (I) và đi qua dung môi (I0). Tín hiệu quang đƣợc chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi đƣợc phóng đại, tín hiệu sẽ chuyển sang bộ phận tự ghi để vẽ đƣờng cong sự phụ thuộc của log(I/I0) vào bƣớc sóng.
Cƣờng độ của tia đơn sắc trƣớc và sau khi đi qua môi trƣờng hấp thụ đƣợc liên hệ với nhau bởi định luật Lambert-Beer.
Absorbance = A = -logT = -log(I/I0) = ε. l. C Với:
A: Độ hấp thu
C: Nồng độ, (mol/lit)
48 : Hệ số hấp thu phân tử có thứ nguyên hay hệ số hấp thu mol đặc trƣng cho cƣờng độ hấp thu của chất nghiên cứu ỏ bƣớc sóng đã cho, (l/mol.cm)
Sử dụng máy ghi phổ UV-VIS để xác định nồng độ của thuốc quinin giải phóng trong các môi trƣờng pH khác nhau.
Hình 2.7. Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS.
2.4.5. Nghiên cứu phân bố kích thƣớc hạt
Thiết bị xác định phân bố kích thƣớc hạt là thiết bị dùng để xác định khoảng kích thƣớc phân bố của hạt tổ hợp bằng thiết bị Zetasizer-Nano ZS của hãng Malvern – UK bằng phƣơng pháp tán xạ laser động (tại Viện Khoa học Vật liệu). Thiết bị dùng 1 hệ quang học gồm 1 nguồn sáng laser rắn bán dẫn có bƣớc sóng 532nm, công suất 10mW, dải đo kích thƣớc từ: 0.6nm - 6µm, dải đo thế zeta từ - 200 đến +200mV.
49
Hình 2.8.Thiết bị phân tích phân bố kích thước hạt Zetasizer Ver 6.2
Phƣơng pháp tán xạ laser động là phép đo tính toán sự phụ thuộc của cƣờng độ tán xạ laser vào thời gian tán xạ laser trong mẫu. Từ đó xác định hệ số khuếch tán tĩnh D và đƣờng kính thủy động lực học DH từ phƣơng trình Stokes-Einstein:
3 H kT D D Trong đó: k = hằng số Boltzmann, T = nhiệt độ tuyệt đối, = độ nhớt
Đại lƣợng đặc trƣng cho độ ổn định của hệ phân tán keo là thế Zeta (ζ). Các hạt với điện tích bề mặt nhất định sẽ hấp phụ từ dung dịch những ion có điện tích trái dấu. Sau đó, những ion đã bị hấp phụ sẽ hấp phụ các ion trái dấu với chúng trong dung dịch, tạo ra một lớp điện tích kép. Thế Zeta thể hiện mức độ đẩy giữa các hạt tích điện cùng dấu gần nhau trong hệ phân tán. Đối với các phân tử và các hạt đủ nhỏ, thế Zeta cao (âm hoặc dƣơng) sẽ cho độ ổn định cao, hệ phân tán sẽ chống lại sự keo tụ.
50
2.4.6. Xác định suy giảm khối lƣợng mẫu
Sự phân huỷ của màng tổ hợp PLA/CS có và không có các chất tƣơng hợp đƣợc đánh giá theo sự thay đổi khối lƣợng mẫu sau khi thủy phân. Quá trình thủy phân xảy ra tạo thành các sản phẩm có thể hòa tan trong nƣớc, do đó giảm khối lƣợng của mẫu.
Màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất trợ tƣơng hợp đƣợc xác định khối lƣợng và tiến hành thủy phân trong các môi trƣờng: dung dịch kiềm NaOH 0,1N; dung dịch axit HCl 0,1N; dung dịch đệm photphat (pH=7,4); dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời (SBF) và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật. Lọc phần mẫu còn lại chƣa bị thủy phân rồi sấy khô đến khối lƣợng không đổi để xác định % khối lƣợng mẫu phân hủy theo công thức:
m = ((mo-md)/mo).100% Trong đó: m: lƣợng mẫu bị mất (%)
mo: khối lƣợng mẫu ban đầu (g)
md: khối lƣợng mẫu sau thủy phân (g)
2.4.7. Xây dựng đƣờng chuẩn quinin trong các môi trƣờng pH=2 và pH=7,4
Cho một lƣợng quinin nhất định khuấy trong các môi trƣờng có pH = 2 và 7,4. Sau đó lấy dung dịch chứa quinin giải phóng theo thời gian để xác định pic hấp thụ trên máy quang phổ UV-Vis trong các môi trƣờng pH = 2 và 7,4. Từ đó xây dựng đƣợc các đƣờng chuẩn của quinin trong các môi trƣờng pH khác nhau.
Xác định hàm lƣợng thuốc quinin giải phóng khỏi hạt tổ hợp PLA/CS trong các môi trƣờng có pH = 2 và pH=7,4
Tƣơng tự nhƣ trên, hạt tổ hợp PLA/CS mang quinin đƣợc khuấy trong các môi trƣờng có pH khác nhau. Tiếp theo lấy dung dịch giải phóng theo thời gian đem xác
51 định pic hấp thụ trên máy quang phổ UV-Vis. Từ đó xác định đƣợc đồ thị giải phòng thuốc quinin khỏi hạt tổ hợp PLA/CS trong các môi trƣờng pH = 2 và 7,4.
2.5. PHÂN HỦY TỔ HỢP PLA/CS TRONG MỘT SỐ MÔI TRƢỜNG Môi trƣờng hóa chất Môi trƣờng hóa chất
Màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất tƣơng hợp đƣợc cắt thành hình vuông có kích thƣớc 1 x 1 cm để tiến hành phân hủy. Các mẫu đƣợc phân hủy trong các môi trƣờng: dung dịch kiềm NaOH (nồng độ 0,1N); dung dịch axit HCl (nồng độ 0,1N); dung dịch đệm photphat pH=7,4 (KH2PO4 0,1N + NaOH 0,1N); dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời (SBF: 4g NaCl; 0,175g NaHCO3; 0,2g KCl; 0,24g Na2HPO4.2H2O; 0,05g MgCl2.6H2O; 0,09g CaCl2; 0,03g KH2PO4; 0,05g MgSO4.7H2O; 0,5g gluco hòa tan trong 500ml nƣớc cất) [113]. Tất cả thí nghiệm đƣợc đặt ở trạng thái tĩnh. Mỗi ống nghiệm chứa 10ml dung dịch đặt từng mẫu riêng biệt để tiến hành thủy phân. Các thử nghiệm trong môi trƣờng hóa chất đặt ở nhiệt độ phòng, riêng dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời đƣợc đặt trong bể điều nhiệt ở nhiệt độ 37o
C.
Tác động của tác nhân vi sinh vật
Các mẫu màng tổ hợp PLA/CS cắt thành hình vuông có kích thƣớc 1 x 1 cm đƣợc xác định khối lƣợng rồi đƣa vào lọ thí nghiệm (đã đƣợc khử trùng ở 115o
C trong 30 phút) chứa 4,5ml môi trƣờng AM: 10g gluco; 5g pepton; 5g cao men; 1g KH2PO4; 0,2g MgSO4 + 10% dịch hoạt hóa nuôi vi khuẩn. Sử dụng chủng Bacillus subtilis W2 của Phòng Công nghệ lên men, Viện Công nghệ Sinh học. Các lọ thí nghiệm đƣợc đặt trong máy lắc với tốc độ 200 vòng/phút ở 30oC. Các mẫu sẽ đƣợc rút sau 2 ngày, 5 ngày, 7 ngày, 10 ngày và 14 ngày, rửa sạch mẫu bằng nƣớc cất, sấy khô trong chân không, xác định sự thay đổi khối lƣợng và cấu trúc của mẫu. Thí nghiệm này đƣợc thực hiện tại Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
52
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIÊN CỨU MÀNG TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP DUNG DỊCH PHÁP DUNG DỊCH
3.1.1. Nghiên cứu tỷ lệ thành phần thích hợp của màng tổ hợp PLA/CS chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch bằng phƣơng pháp dung dịch
3.1.1.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau với các tỷ lệ khác nhau
Hình 3.1 là phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của PLA. Quan sát hình 3.1 nhận thấy trên phổ FTIR của PLA xuất hiện các pic dao động hóa trị và dao động biến dạng của các nhóm đặc trƣng nhƣ nhóm C=O ở 1759 cm-1
, C-O-C ở 1199 và 1101 cm-1 và –C–H ở 2991, 2945, 1452 và 1368 cm-1.Trên phổ FTIR của PLA cũng xuất hiện pic dao động với cƣờng độ yếu ở khoảng 3680 cm-1
đặc trƣng cho dao động hóa trị của nhóm -OH tự do của mạch đại phân tử PLA.
53 Hình 3.2 biểu diễn phổ FTIR của chitosan (CS). Ngoài các pic đặc trƣng cho các nhóm –CH và C-O ở 2888, 1153 và 1091 cm-1, còn có pic rộng ở 3426 cm-1 đặc trƣng cho các nhóm -OH và nhóm -NH2, pic ở 1670 cm-1
đặc trƣng cho dao động hóa trị của C=O (trong nhóm CONH), pic ở 1581 cm-1
đặc trƣng cho nhóm –NH3+, pic ở 1081 và 950 cm-1
đặc trƣng cho cấu trúc vòng saccarit trong CS [47, 89], pic đặc trƣng cho dao động biến dạng nhóm NH2 ở 1570 cm-1
.
Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của chitosan (CS).
Hình 3.3 là phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS (80/20). Quan sát hình 3.3 và so sánh với phổ IR của PLA, CS, nhận thấy khi phân tán CS vào PLA, vị trí các pic hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trƣng trong PLA và CS có sự dịch chuyển nhẹ so với các pic tƣơng ứng trên phổ FTIR của PLA và CS. Cụ thể, với nhóm C=O trong PLA, píc dao động của nhóm này tƣơng ứng ở 1759 cm-1, còn trong màng tổ hợp PLA/CS (80/20), pic dao động của nhóm này ứng với số sóng 1754 cm-1 (tƣơng ứng với độ dịch chuyển là 5 cm-1). Với nhóm –NH2 trong màng tổ hợp PLA/CS (80/20), pic dao động cũng bị dịch chuyển từ 3426 cm-1 trong chitosan tới số sóng 3431 cm-1
(hình 3.3) (tƣơng ứng với độ dịch chuyển là 5 cm1
). Điều này cho thấy PLA và CS đã tƣơng tác với nhau.
54
Hình 3.3 Phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS (80/20).
Phân tích tƣơng tự với phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ 60/40, 50/50 và 20/80, các pic dao động của một số nhóm đặc trƣng trong PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau đƣợc trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong PLA, CS và các màng tổ hợp PLA/CS Số sóng (cm-1 ) Mẫu Dao động PLA CS PLA/CS (80/20) PLA/CS (60/40) PLA/CS (50/50) PLA/CS (20/80) C=O 1760 - 1754 1742 1747 1744 CH 2945 - 2939 2934 2940 - –OH, NH2 - 3426 3431 3369 3452 3366 C-O-C 1199 - 1183 1177 1181 1155 1101 1081 1084 1078 1086 1078 CH3 1368 - 1367 1379 1381 1378 -NH2 - 1570 - - - - ρ -CH2 - - 757 752 755 664
55 Quan sát bảng 3.1 nhận thấy màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau có sự dịch chuyển các pic đặc trƣng của các nhóm chức trong tổ hợp PLA/CS. Điều này có thể giải thích bởi các tƣơng tác giữa các nhóm chức nhƣ C=O, -OH, C-O-C và NH2, trong PLA và CS. Đó là liên kết hydro và tƣơng tác lƣỡng cực giữa các nhóm C=O trong PLA với NH2 trong CS (hình 3.4)
(a)
(b)
Hình 3.4. Giả thiết về liên kết hydro (a) và tương tác lưỡng cực giữa các nhóm chức trong PLA và CS (b)
56
3.1.1.2. Hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau
Để khảo sát sự phân tán của PLA với CS, tiến hành chụp và quan sát ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) của các màng tổ hợp PLA/CS. Hình 3.5 là các ảnh SEM của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ lần lƣợt là 80/20, 60/40, 50/50 và 20/80.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.5. Ảnh FESEM của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ: (a) 80/20, (b) 60/40, (c) 50/50 và (d) 20/80.
Quan sát ảnh FESEM của các màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ PLA/CS khác nhau nhận thấy CS đã phân tán vào trong nền PLA với kích thƣớc hạt khoảng 3-15 µm. Mức độ phân tán của CS vào PLA tốt nhất là ở màng tổ hợp PLA/CS có tỷ lệ 80/20.
57 Từ các kết quả khảo sát ở trên, màng tổ hợp PLA/CS với tỷ lệ 80/20 đƣợc lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.2 Khảo sát đặc trƣng, tính chất và hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS/chất tƣơng hợp chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch
3.1.2.1 Phổ FTIR của các màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp
Hình 3.6 biểu diễn phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất tƣơng hợp polyetylen oxit (PEO).
Hình 3.6. Phổ FTIR của PLA, CS và các màng tổ hợp PLA/CS, PLA/CS/4%PEO (PCO4).
Khi so sánh phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS/PEO với phổ FTIR của PLA và CS, nhận thấy các pic đặc trƣng cho các nhóm C=O, -CONH, -NH3+, C-O và C-H dịch chuyển đáng kể. Cụ thể, số sóng tƣơng ứng với các nhóm C=O, - CONH-, -NH3+
, C-O và C-H của màng tổ hợp PCO4 dịch chuyển lần lƣợt 7, 8, 18, 10 và 5-10 cm-1. Số sóng của nhóm đặc trƣng cho vòng saccarit dịch chuyển 5 cm-1
(hình 3.6, bảng 3.2) so với các pic tƣơng ứng trên phổ FTIR của CS. Ngoài ra, pic rộng đặc trƣng cho nhóm -
58 OH và -NH trên phổ FTIR của CS cũng dịch chuyển từ 3426 cm-1 đến 3366 cm-1 (phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS/PEO4). Có thể khi sử dụng PEO làm chất tƣơng hợp cho PLA và CS, PLA và CS đã tƣơng tác mạnh với nhau bằng các tƣơng tác hydro và tƣơng tác lƣỡng cực-lƣỡng cực (giữa nhóm NH2 và OH trong CS với nhóm C=O, COOH trong PLA và nhóm C-O trong PEO) gây ra sự dịch chuyển số sóng của một số nhóm đặc trƣng trên phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS. Các nghiên cứu tƣơng tự của tác giả M.Rajan [95] cũng đã chỉ ra sự tồn tại của các tƣơng tác này. Các pic dao động đặc trƣng của các màng tổ hợp PLA/CS/PEO với hàm lƣợng PEO 0, 2, 4, 6, 8, 10 %kl (so với PLA), ký hiệu lần lƣợt là PC, PCO2, PCO4, PCO6, PCO8, PCO10 đƣợc liệt kê trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp PLA/CS/PEO
Số sóng (cm-1