Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................ 1
3. Đối tương nghiên cứu.................................................................................... 1
4. Phương pháp nhiên cứu ................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HYDROGELS VÀ
HYDROGEL THÔNG MINH ....................................................................... 3
1.1. Vật liệu polyme hydrogel .......................................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu polyme hydrogel .................................................................... 3
1.1.2. Tính chất cơ học của vật liệu polymer hydrogel..................................... 3
1.1.2.1. Tính chất đàn hồi .................................................................................. 3
1.1.2.2. Tính chất đàn hồi nhớt ......................................................................... 6
1.2. Polyme hydrogel thông minh (Intelligent hydrogels polymer - IPH)........ 9
1.2.1. Polyme hydrogel thông minh (IPH) nhay PH ....................................... 10
1.2.2. Polyme hydrogel thông minh nhạy cảm nhiệt độ ................................. 13
1.3. Những ứng dụng của polyme hydrogel thông minh ................................ 14
1.3.1. Ứng dụng làm vật liệu chuyền tải phân phối thuốc .............................. 14
1.3.2. Ứng dụng làm Biosensor....................................................................... 17
1.4. Tổng hợp chế tạo vật liệu PVA/CMC ...................................................... 17
1.4.1. Các nguyên liệu cho quá trình tổng hợp hydrogel PVA/CMC ............. 18
1.4.1.1. Polyninyl alcohol (PVA) .................................................................... 18
1.4.1.1.1. Cấu tạo PVA ................................................................................... 18
1.4.1.1.2. Tính chất vật lý của PVA ................................................................ 18
1.4.1.2. Carboxyl methyl cellulose (CMC) ............................................................24
1.4.1.2.1. Cấu tạo của CMC ............................................................................ 24
3.1. Phân tích bề mặt ....................................................................................... 38
3.2. Phân tích phổ hấp phụ IR ......................................................................... 39
3.3. Phân tích khả năng trương nở của hydrogel PVA/CMC ......................... 40
3.3.1. Các công thức tính độ trương nở........................................................... 40
3.3.2. Khảo sát biến dạng theo thời gian của các hydrogel PVA/CMC ......... 41
SVTH: Nguyễn Thị Hải
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
3.3.3. Khảo sát khả năng trương nở của các hytdrogel trong các môi
trường PH khác nhau....................................................................................... 43
KẾT LUẬN .................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 47
SVTH: Nguyễn Thị Hải
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
LỜI CẢM ƠN
Bảng 3.3. Kích thước trương nở của các hydrogel PVA/CMC trong các môi
trường khác nhau sau 60 phút
Bảng 3.4. Độ trương nở của hydrogel PVA/CMC ở các môi trường pH khác
nhau
SVTH: Nguyễn Thị Hải
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ảnh mô phỏng cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel
Hình 1.2. (a) Mô hình Maxwell và (b) đặc tính của mô hình
Hình 1.3. (a) Mô hình Kelvin-Voigt và (b) đặc tính của mô hình
Hình 1.4. (a) Mô hình Zener và (b) đặc tính của mô hình
Hình 1.5. Mô phỏng những tác nhân kích thích tạo quá trình trương nở của
IPH
Hình 1.6. Thuốc điều trị ung thư tuyến tiền liệt Eligar® và bệnh quanh răng
Atridox®
Hình 1.7. Sơ đồ quá trình sử dụng thuốc dạng Atrigel trong lâm sàng
Hình 1.8. Mô tả quá trình trương nở và giải phóng thuốc của dược phẩm
sử dụng PHG nhạy cảm pH
Hình 1.9. Mô phỏng quá trình trộn hợp hai polyme
Hình 1.10. Mối quan hệ giữa độ bền kéo và % thủy phân đối với màng PVA
không dẻo hóa
Hình 1.12. Mối liên quan giữa độ bền kéo và phần dẻo hóa của màng PVA
Trường ĐHSP Hà Nội 2
SVTH: Nguyễn Thị Hải
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC VIẾT TẮT
CMC: Carboxyl methyl cellulose
PVA: Polyninyl alcohol
PHG: Polyme hydrogel
IHP: Polyme hydrogel thông minh
SVTH: Nguyễn Thị Hải
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu hydrogel là vật liệu có cấu trúc mạng lưới có ngậm các phân tử
nước. Các hydrogel được phát triển như là loại vật liệu nhạy cảm và đáp ứng với
Trường ĐHSP Hà Nội 2
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thực nghiệm tổng hợp mẫu PVA/CMC
- Các phương pháp khảo sát độ trương nở của hydrogel PVA/CMC
- Các phương pháp hóa lý
+ Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
+ Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
SVTH: Nguyễn Thị Hải
2
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HYDROGEL
VÀ HYDROGEL THÔNG MINH
1.1. Vật liệu polyme hydrogel
1.1.1. Giới thiệu polyme hydrogel
Polyme hydrogel (PHG) là loại polyme ưa nước, nhưng không hòa tan
trong nước. Trong môi trường nước, mạch polyme hấp thụ nước, tạo ra một
mạng ba chiều (3D) các chuỗi mạch polyme, tại đó một phần bị solvat hóa bởi
các phân tử nước nhưng các bộ phận còn lại có liên kết hóa học hoặc vật lý
L T ,V
T L,V
Trong đó:
F - Lực co lại của chất đàn hồi chống lại lực kéo dãn
U - Nội năng
L - Độ dài
V - Thể tích
T - Nhiệt độ tuyệt đối
Theo nhiệt động học thống kê đối với chất đàn hồi, quá trình tăng về
chiều dài chủ yếu đưa đến sự thay đổi vể entropy do sự thay đổi về khoảng
cách đầu cuối của chuỗi mạng.
Lực co lại và entropy có mối liên hệ với nhau thông qua phương trình
Maxwell:
S
f
L T ,V
T L,V
Mặt khác, biến đổi nội năng của chất đàn hồi do biến dạng là nhỏ. Vì
vậy, lực co lại của chất đàn hồi lý tưởng có thể được xác định như sau:
S
ln (r , T )
f T kT
L
r
r
2 1/ 2
Ael
3nkT
r
2
f
rdr
r
2 1/ 2
f
Biến đổi này chính là công lớn nhất cần cung cấp cho hệ với giả thiết
thể tích của hệ không biến đổi trong quá trình biến dạng. Lấy vi phân công
theo tỉ số dãn dài sẽ cho ứng suất trượt trên một đơn vị diện tích:
RT r02
1
W
. 2 2
RT r02 2M C
1
. 2 1
2
M C rf
M n
Trong đó:
M n : Khối lượng phân tử trung bình của chuỗi phân tử thẳng, trước khi
được kết nối với nhau. Từ đây ta có mối quan hệ ứng suất biến dạng không
tuyến tính:
G
1
2
Trong đó: G là suất đàn hồi trượt, có dạng như sau:
RT r02 2M C
Trường ĐHSP Hà Nội 2
2. Tính hồi phục: Để duy trì biến dạng của vật liệu không đổi, thì ứng suất
sẽ là hàm phụ thuộc thời gian. Khi đó, suất đàn hồi được xác định như sau:
G (t )
(t )
Trong đó: σ và ε là ứng suất biến dạng.
Tính chất đàn hồi nhớt thường được biểu diễn bằng mô hình sử dụng
phần tử lò xo Hook, mô tả tính đàn hồi đặc trưng bởi suất đàn hồi Young (E)
và phần tử giảm chấn Neuton mô tả sự cản trở với ứng suất tác động, đặc
trưng bởi độ nhớt (η).
Có 3 mô hình mô tả tính chất đàn hồi nhớt tiêu biểu, đó là:
Mô hình Maxwel: Mô hình này bao gồm một phần tử lò xo ghép nối tiếp với
một phần tử giảm chấn. Do ứng suất là như nhau cho cả hai phần tử, nên ứng
suất tổng cộng bằng đúng ứng suất của mỗi phần tử.
a)
b)
Hình 1.2. (a) Mô hình Maxwell và (b) đặc tính của mô hình
Ứng suất của hệ là hàm suy giảm theo thời gian, và có dạng:
t
0 exp
E
d
dt
Mô hình Zenner: Mô hình này có phần tử lò xo ghép song song với mô hình
Maxwell
a)
b)
Hình 1.4. (a) Mô hình Zener và (b) đặc tính của mô hình
SVTH: Nguyễn Thị Hải
8
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Mối quan hệ ứng suất và biến dạng sẽ là:
d
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Sự kích thích bởi môi trường
Nhiệt độ
Lực ion
Các dung môi
Sự phát xạ (UV,ánh sáng nhìn thấy)
Vật lý
Điện trường
Ứng suất cơ
Áp suất cao
Sự phát xạ siêu âm
Từ trường
pH
Hóa học
Các ion riêng biệt
Các tác nhân hóa học
Các nền enzyme
Sinh học
Các phối tử ái lực
Các tác nhân sinh học khác
Bảng 1.1. Những yếu tố môi trường có thể gây nhạy cảm với IPH
1.2.2. Polyme hydrogel thông minh (IHP) nhạy pH
CH3
C
C O
CH2
n
C
C O
OH
(a)
CH2
n
CH3
CH2
CH2
CH2
C
CH3
CH2
C
C O
CH2
C O
n
(a)
n
O
O
CH2
CH2
CH2
CH2
N
H2C
(c)
11
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
(a) Poly (N, N’ - dimethylamino methacrylate) (PDMAEMA)
(b) Poly (N, N’ - dimethylamino mathacrylate) (PDEAEMA)
(c) Poly (4 hoặc 2 - vinylpyridine) (PVP)
IPH nhạy pH là những polyme có khả năng tự phân hủy, như:
O
O
O
O
O
R
n (a)
O
C
NH
CH
C
CH2
CH2
N
CH2
NH
(a)
CH2
CH
CH3 CH3
(b)
O
O
SVTH: Nguyễn Thị Hải
C
O
R=( CH2 )10 hoặc
12
(d)
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Một số IPH nhạy pH từ biopolyme: (a)Polyglutamicaiad, (b) Polyhistidine
Một số IPH nhạy pH từ polypeptide nhân tạo:
(c) Poly (N - methacryloyl - L - Leucien),
(d) Pseudo - peptides đồng trùng hợp với L - Lysine và Diacid chloride
có nhân aliphatic hoặc Aromatic.
1.2.2. Polyme Hydrogel thông minh nhạy cảm nhiệt độ
IHP nhạy cảm nhiệt độ thông qua biểu hiện sự chuyển trạng thái, như
sự chuyển trạng thái đông đặc - dung dịch dẫn đến thay đổi nhiệt độ. Sự phân
loại các IHP nhạy cảm nhiệt độ bao gồm: [5]
Các polyme dựa trên nhiệt độ dung dịch giới hạn thấp (LCST)
(lower critical Solution Temperature).
Các polyme dựa trên sự cân bằng phân tử lưỡng tính
(Polymers based on Amphiphillic balance).
(a)
(b)
SVTH: Nguyễn Thị Hải
13
C O
n
N H
N
H2C
C
CH
CH3 CH3
(c)
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
Các IHP nhạy nhiệt độ từ các polyme sinh học và polypeptide nhân tạo
Tri - block copolyme bao gồm 230 amio axit, trong đó 84 nhóm có cấu
trúc phân tử tạo nên hình xoắn ốc luân chuyển và 90 nhóm có cấu trúc phân tử
tạo nên sự lặp lại nhiều lần là analyl glycine. Sự rút gọn single - letter cho các
xương amino axit như dưới đây: A, Ala; C, Cys;D, Asp; Eglu; E Phe; G, Gly;
H, His; 1, lle; K, Lis; L, Leu; M, Met; N, Asn; P, pro; Q,Gln; R, Arg; S, Ser;
T, Thr; V, Val; và W, Trp. [5]
1.3. Những ứng dụng của polyme hydrogel thông minh
1.3.1. Ứng dụng làm vật liệu chuyển tải phân phối thuốc
Trong y - sinh học PHG được sử dụng làm chất chuyển tải thuốc. Đây
là polyme tạo gel dạng insitu. Sản phẩm điển hình có tên thương mại là
Atrigel®, được phát triển bởi các phòng thí nghiệm ARTIX. Tính ưu việt của
loại dược phẩm này được thể hiện: [5]
SVTH: Nguyễn Thị Hải
14
K35A – SP Hóa
Khóa luận tốt nghiệp
Trường ĐHSP Hà Nội 2
- Thể tích tiêm nhỏ
- Tiêm như một chất lỏng sử dụng các kim
- Đông đặc như các mô
- Trộn các thành phần suy biến sinh học
Hình 1.8. Mô tả quá trình trương nở và giải phóng thuốc của dược phẩm
sử dụng PHG nhạy cảm pH
Thuốc được bọc trong hạt nang nano PHG. Khi tiếp xúc với môi
trường, hạt PHG có chứa thuốc trương nở và giải phóng thuốc. Trong tường
hợp anionic hydrogel, viên nang trương nở trong môi trường kiềm.Trong
trường hợp cationic hydrogel, viên nang trương nở trong môi trường acid.
Những PHG được sử dụng trong trường hợp này là những PHG nhạy cảm pH.
Polyme hydrogel loại này tiêu biểu như được dùng Atrigel có cấu trúc hóa
học poly [MPC - co - methacrylic acid (MA)] (PMA) và poly [MPC - co methacrylate acid (MBA)] (PMB). [5]
Sự trương nở và giải phóng thuốc của các PHG nhạy nhiệt độ
Những viên nang nano chứa thuốc ở trong môi trường có nhiệt độ tới
hạn, viên nang PGH trương nở và giải phóng thuốc. Các PHG nước nhạy
nhiệt độ, điển hình như PNIPAAM poly (N - isopropyl acrlamide) hoặc
copolyme khối. Các polyme hydrogel này nhạy cảm theo hiệu ứng dựa trên
nhiệt độ dung dịch tới hạn thấp. [5]
SVTH: Nguyễn Thị Hải
16
K35A – SP Hóa
Copyright: Tài liệu đại học ©