Header Page 1 of 166.
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN THỊ THU TRANG

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
TỔ HỢP POLYLACTIC AXIT/CHITOSAN VÀ THĂM DÕ
KHẢ NĂNG MANG THUỐC QUININ CỦA VẬT LIỆU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội, 2016

Footer Page 1 of 166.


Header Page 2 of 166.
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

NGUYỄN THỊ THU TRANG

CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT
LIỆU TỔ HỢP POLYLACTIC AXIT/CHITOSAN VÀ THĂM
DÕ KHẢ NĂNG MANG THUỐC QUININ CỦA VẬT LIỆU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ


Header Page 4 of 166.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này là công trình nghiên cứu
do tôi thực hiện. Một số nghiên cứu là thành của tập thể và đã đƣợc các đồng sự
cho phép sử dụng.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thu Trang

Footer Page 4 of 166.


Header Page 5 of 166.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CS:

Chitosan

DCM:

Diclometan

FESEM:

trƣờng


Polyetylen

PBT:

Polybutylen terephtalat

PEG:

Polyetylen glycol

PEO:

Polyetylen oxit

PET:

Polyetylen terephtalat

PGA:

Poly glycolic axit

PLA:

Polylactic axit

PLLA: Poly (L-lactic axit)
PP:

Polypropylen


Nhiệt độ thuỷ tinh hoá

THF:

Tetrahydrofuran

Tm:

Nhiệt độ nóng chảy

Footer Page 6 of 166.


Header Page 7 of 166.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN ...................................................................................... 3
1.1. POLY LACTIC AXIT ........................................................................................ 3
1.1.1. Tổng hợp PLA .................................................................................................. 3
1.1.1.1. Các phương pháp trùng ngưng ............................................................... 3
1.1.1.2. Các phương pháp trùng hợp ................................................................... 4
1.1.2. Cấu tạo, cấu trúc của PLA................................................................................ 6
1.1.3. Tính chất của PLA ........................................................................................... 7
1.1.3.1. Tính chất vật lý [22, 34] ......................................................................... 7
1.1.3.2. Tính chất nhiệt ........................................................................................ 8
1.1.3.3. Tính chất hóa học.................................................................................... 8
1.1.3.4. Tính thấm khí .......................................................................................... 9
1.1.3.5. Tính chất cơ học...................................................................................... 9
1.1.4. Ứng dụng và một số sản phẩm PLA tiêu biểu ............................................... 10

2.4.6. Xác định suy giảm khối lƣợng mẫu .............................................................. 50
2.4.7. Xây dựng đƣờng chuẩn quinin trong các môi trƣờng pH=2 và pH=7,4 ........ 50
2.5. PHÂN HỦY TỔ HỢP PLA/CS TRONG MỘT SỐ MÔI TRƢỜNG............... 51
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 52
3.1. NGHIÊN CỨU MÀNG TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG
PHÁP DUNG DỊCH ................................................................................................ 52
3.1.1. Nghiên cứu tỷ lệ thành phần thích hợp của màng tổ hợp PLA/CS chế tạo
bằng phƣơng pháp dung dịch ................................................................................... 52
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 ....................................................................................... 52
3.1.1.2. Hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau . 56
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 .............................. 57
3.1.2.1 Phổ FTIR của các màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp ..................... 57
3.1.2.2. Tính chất nhiệt của màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp ................... 63
3.1.2.3. Hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp ............. 68

Footer Page 8 of 166.


Header Page 9 of 166.
3.1.2.4. Nghiên cứu sự phân hủy của màng tổ hợp PLA/CS/PCL ngâm trong
các môi trường khác nhau ................................................................................. 70
Tóm tắt kết quả mục 3.1 ........................................................................................... 85
3.2. NGHIÊN CỨU TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP VI
NHŨ ......................................................................................................................... 85
3.2.1. Phân bố kích thƣớc hạt cuả tổ hợp PLA/CS .................................................. 85
3.2.2. Phổ FTIR của hạt tổ hợp PLA/CS.................................................................. 88
3.2.3. Tính chất nhiệt của hạt tổ hợp PLA/CS ......................................................... 89
3.2.4. Hình thái cấu trúc của hạt tổ hợp PLA/CS ..................................................... 91

(b) sau 3 giờ thủy phân enzym trong sự có mặt của Proteinaza

25

Hình 1.3. Mođun đàn hồi và độ dãn dài khi đứt của các vật liệu tổ hợp
PLLA/PES

28

Hình 1.4. Đường DSC của OCS, PLLA và các màng blend OCS/PLLA

31

Hình 1.5. Độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt của sợi tổ hợp PLA/CS với các
tỷ lệ khác nhau: (a) 100/0; (b) 90/10; (c) 80/20 và (d) 70/30.

32

Hình 1.6. Ảnh FESEM của sợi Ag/PLA/CS với các tỷ lệ:
(a) 100/0, (b) 70/30, (c) 50/50 và (d) 30/70

32

Hình 1.7. Giản đồ XRD của (a) chitosan (80/20), (b) 1%MMT, (c) 3% MMT,
(d) 5% MMT và Cloisit 30B

34

Hình 1.8. Phổ FTIR của PLA (IA), CS (IB), PLA/CS (IC), thuốc Lamivudin
(IIA) và PLA/CS mang thuốc Lamivudin (IIB)


Header Page 11 of 166.
Hình 2.4. Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ)

45

Hình 2.5. Máy phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)

46

Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét S- 4800 (Hitachi, Nhật Bản)

47

Hình 2.7. Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS

48

Hình 2.8.Thiết bị phân tích phân bố kích thước hạt Zetasizer Ver 6.2

49

Hình 3.1 Phổ FTIR của PLA

52

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của chitosan (CS)

53


63

Hình 3.10. Giản đồ DSC của PLA, CS, các màng tổ hợp PC và PCL6

64

Hình 3.11. Liên kết hydro giữa nhóm OH (CS), nhóm C-O-C (PEO) với nhóm
COOH (PLA) trong màng tổ hợp PLA/CS/PEO (a) và liên kết hydro giữa nhóm
OH (CS), nhóm C-O-C(PEG) với nhóm COOH (PLA) trong màng tổ hợp
PLA/CS/PEG (b)

67

Hình 3.12. Ảnh FESEM của các màng tổ hợp PC và PLA/CS/PCL với các hàm
lượng PCL khác nhau (PCL0, PCL2, PCL4, PCL6, PCL8, PCL10)

Footer Page 11 of 166.

69


Header Page 12 of 166.
Hình 3.13. Ảnh FESEM của màng tổ hợp PC và PLA/CS/PEO (PCO2, PCO6,
PCO10)

70

Hình 3.14. Đồ thị mất khối lượng của PLA trong các màng tổ hợp PLA/CS có và
không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch NaOH 0,1N


Hình 3.21. Sơ đồ thủy phân của CS

79

Hình 3.22. Phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28 ngày
trong các môi trường khác nhau

80

Hình 3.23. Giản đồ DSC của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28
ngày trong các môi trường khác nhau

82

Hình 3.24. Ảnh FESEM của màng tổ hợp PCL6 sau khi phân hủy trong các
môi trường khác nhau: (A) dung dịch NaOH 0,1N, (B) HCl 0,1N, (C) dung dịch
đệm photphat, (D) dung dịch SBF và (E) môi trường có tác nhân vi sinh vật

85

Hình 3.25. Giản đồ phân bố kích thước hạt tổ hợp PLA/CS theo thể tích nước
cất đưa vào hệ

87

Hình 3.26. Phổ FTIR của PLA, CS và hạt tổ hợp PLA/CS với tỷ lệ PLA/CS
khác nhau

Footer Page 12 of 166.


97

Hình 3.33. Giản đồ DSC của PLA, CS và vật liệu tổ hợp PCQ với các hàm
lượng QN khác nhau

99

Hình 3.34. Ảnh FESEM của quinin

100

Hình 3.35. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PCQ20

100

Hình 3.36. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PCQ30

100

Hình 3.37. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PCQ50

100

Hình 3.38. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ quang với nồng độ
dung dịch Q trong dung dịch pH = 2 ở λmax = 250,24 nm

103

Hình 3.39. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ quang với nồng độ
dung dịch quinin trong dung dịch pH = 7,4 ở λmax = 234,45 nm


111

Hình 3.45. Phương trình động học theo mô hình Hixson-Crowell phản ánh sự
phụ thuộc hàm lượng thuốc quinin được giải phóng từ hạt tổ hợp PCQ20 ngâm
trong dung dịch pH=7,4 theo thời gian

112

Hình 3.46. Phương trình động học theo mô hình Korsmeyer – Peppas phản ánh
sự phụ thuộc hàm lượng thuốc quinin được giải phóng từ tổ hợp PCQ20 ngâm
trong dung dịch pH=7,4

Footer Page 14 of 166.

112


Header Page 15 of 166.
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Độ thấm khí của PLA, HDPE, LDPE, PET
Bảng 1.2. Một số đặc trưng, tính chất của PLA và tổ hợp tinh bột/PLA (45/55)

9
26

Bảng 1.3. Tính chất của PLA hóa dẻo bởi PEG với hàm lượng và KLPT khác
nhau


65

Bảng 3.7. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp
PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch NaOH
0,1N

74

Bảng 3.8. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp
PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch HCl 0,1N

75

Bảng 3.9. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các tổ hợp PLA/CS và
PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch đệm photphat
pH=7,4

Footer Page 15 of 166.

75


Header Page 16 of 166.
Bảng 3.10. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các tổ hợp PLA/CS
và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch SBF

76

Bảng 3.11. Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp
PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong môi trường có tác

PLA/CS với các tỉ lệ PLA/CS khác nhau

91

Bảng 3.18. Vị trí hấp thụ các nhóm liên kết đặc trưng trong quinin và các hạt tổ hợp
PCQ

95

Bảng 3.19. Kích thước hạt trung bình của tổ hợp PLA/CS với các hàm lượng
quinin khác nhau

98

Bảng 3.20. Đặc trưng DSC của PLA, CS và vật liệu tổ hợp PCQ với các hàm
lượng QN khác nhau
Bảng 3.21. Hiệu suất mang thuốc quinin của các hạt tổ hợp PLA/CS

99
101

Bảng 3.22. Độ hấp thụ Abs ứng với các nồng độ pha loãng của quinin trong
dung dịch pH=2

Footer Page 16 of 166.

102


Header Page 17 of 166.

Header Page 18 of 166.
MỞ ĐẦU
Trên thế giới, vật liệu polyme tự phân hủy và phân huỷ sinh học đã đƣợc
nghiên cứu chế tạo để sử dụng trong các lĩnh vực nhƣ nông, lâm nghiệp, chế biến
thực phẩm và y tế. Năm 1980, trên thế giới mới chỉ có 7-12 sáng chế trong lĩnh vực
này. Con số đó tăng lên 1.500 sáng chế trong 10 tháng đầu năm 2003 [17]. Đã có
nhiều công trình nghiên cứu về các polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở tinh bột
(tổng hợp từ amylo và amylo pectin), xenlulo, agaro, carrageenan; polysaccarit
động vật nhƣ chitin và glycos-aminoglycan; các loại protein nhƣ collagen/gelatin,
casein, keratin, fibroin, polyvinylancol... cũng nhƣ các polyme blend trên cơ sở các
polyme này với các nhựa nhiệt dẻo nhƣ polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở tinh
bột với các polyolefin [37, 101]. Trong số các polyme có khả năng phân hủy sinh
học, poly(lactic axit) (PLA) đƣợc nghiên cứu nhiều nhất do có nhiều tính chất
giống một số polyme nhiệt dẻo (polyetylen, polypropylen, polyvinyl clorua…) nhƣ
độ bền kéo lớn, mođul đàn hồi lớn, bền nhiệt [68, 70]. Ngoài ra, PLA còn có khả
năng chống cháy, chống bức xạ tử ngoại…[57], đặc biệt là khả năng phân hủy sinh
học. Chitosan (CS) là polyme có nguồn gốc thiên nhiên cũng đã đƣợc nghiên cứu
rất rộng rãi do các tính năng ƣu việt của nó nhƣ không độc, phân hủy sinh học và
tƣơng hợp sinh học, hơn nữa nó còn có khả năng cầm máu và kháng khuẩn cao
[112]. Do đó, nghiên cứu trộn hợp các polyme PLA và CS để tạo thành vật liệu tổ
hợp mới kết hợp đƣợc các ƣu điểm của 2 polyme này là rất cần thiết.
Vật liệu tổ hợp PLA/CS ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu là do các
polyme có sự bám dính tốt, khả năng phân huỷ sinh học, tƣơng hợp sinh học và có
tính ổn định tƣơng đối cao. Một số nghiên cứu về vật liệu tổ hợp PLA/CS đã đƣợc
công bố [13, 31, 67, 115], trong đó các tác giả tập trung nghiên cứu hình thái cấu
trúc và khả năng phân tán của 2 pha PLA và CS. Các kết quả thu đƣợc cho thấy do
PLA khác với chitosan về bản chất, cấu tạo, cấu trúc, tỉ trọng, tính ƣa nƣớc… nên
sự phân tán CS trong PLA bị hạn chế. Vì vậy, nghiên cứu sử dụng các chất có khả
năng trợ tƣơng hợp cho PLA và CS nhƣ polyetylen glycol (PEG), polycaprolacton


quinin bằng phƣơng pháp vi nhũ.
-

Xác định đƣợc hình thái cấu trúc, tính chất và nghiên cứu sự phân hủy của

màng tổ hợp PLA/CS trong các môi trƣờng khác nhau.
-

Xác định đƣợc khối lƣợng thuốc quinin giải phóng từ vật liệu tổ hợp PLA/CS

trong một số dung dịch có pH khác nhau và mô hình thích hợp cho quá trình trên.

Footer Page 19 of 166.

2


Header Page 20 of 166.
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. POLY LACTIC AXIT
Poly(lactic axit) (PLA) là polyeste đƣợc tổng hợp chủ yếu bằng phản ứng
trùng ngƣng và trùng hợp từ các monome axit lactic. Nguyên liệu sản xuất PLA là
các nguồn có thể tái sinh hàng năm: các loại cây lƣơng thực nhƣ ngô, lúa mì... Nó
có thể thay thế các nguyên liệu nhựa truyền thống từ dầu mỏ và đang đƣợc đầu tƣ
sản xuất ở nhiều nƣớc trên thế giới.
1.1.1. Tổng hợp PLA
Điều chế PLA đƣợc tiến hành bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau, trong đó có 2
phƣơng pháp chủ yếu [2, 38]:
- Trùng ngƣng.
- Trùng hợp mở vòng (ROP) của lactit.

n
O
Axit lactic

Footer Page 20 of 166.

O
Poly axit lactic

3


Header Page 21 of 166.
 Trùng ngƣng đồng sôi (trùng ngƣng đẳng phí) [38]
PLA có KLPT lớn có thể tổng hợp bằng phƣơng pháp trùng ngƣng đẳng phí.
Trong phƣơng pháp này, tách loại nƣớc đƣợc thực hiện bằng cách điều chỉnh sự
cân bằng giữa polyme và monome trong dung môi hữu cơ, do đó axit lactic bị trùng
ngƣng trực tiếp tạo thành polyme với KLPT lớn. PLA có độ tinh khiết cao có
KLPT lên đến 300.000 đvC có thể thu đƣợc bằng phƣơng pháp này [20, 44, 58].
1.1.1.2. Các phương pháp trùng hợp
 Trùng hợp trạng thái rắn (SSP) [38]
Phƣơng pháp này cho PLA có KLPT tƣơng đối thấp, ở dạng bột, hạt, lát
mỏng hay sợi tạo thành ở dƣới nhiệt độ nóng chảy cùng với sự tách loại đồng thời
các sản phẩm phụ ra khỏi bề mặt vật liệu bằng bay hơi dƣới áp suất thấp hay bằng
chất mang và có thổi khí trơ. Khí trơ trong SSP có tác dụng tách loại chất ngƣng tụ
khỏi phản ứng và chống lại sự oxy hoá polyme. Phản ứng trùng hợp xảy ra ở vùng
vô định hinh của polyme, ở đó tất cả các nhóm phản ứng cuối mạch đƣợc tạo thành.
Do đó, trùng hợp ở trạng thái rắn phải đƣợc thực hiện ở trên nhiệt độ thuỷ tinh hoá
(nhằm làm cho các nhóm cuối linh động dễ tham gia phản ứng) và dƣới nhiệt độ
nóng chảy của polyme. Do phản ứng trạng thái rắn xảy ra ở các nhiệt độ thấp hơn

Tm
Ch©n kh«ng
hoÆc khÝ tr¬

CH3
H

OH
O

n

O

oligome
n = 8-15

Trùng hợp trạng thái rắn PLA

Footer Page 21 of 166.

4


Header Page 22 of 166.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là thực hiện ở nhiệt độ thấp, có thể khống chế
đƣợc các phản ứng phụ cũng nhƣ các phản ứng phân huỷ nhiệt, thuỷ phân và oxy
hoá cùng với giảm sự biến màu và phân huỷ sản phẩm. Các polyme tạo bằng
phƣơng pháp SSP thƣờng có các tính chất đƣợc cải thiện do sự vòng hoá monome
và các phản ứng phụ khác đã đƣợc hạn chế. Nó không gây ô nhiễm môi trƣờng do


O

CH

H3C
C

n
O

O

OH

+

n

CH3
O

Phản ứng trùng ngưng của lactic axit tạo lactit

Footer Page 22 of 166.

5


Header Page 23 of 166.


O
CH3

O

O

O
poly lactit

lactit

Trùng hợp mở vòng lactit
Thuận lợi của trùng hợp mở vòng là có thể đƣợc điều chỉnh một cách chính
xác về mặt hóa học của phản ứng (cấu trúc lập thể, các đồng phân đối quang), do
đó, có thể thay đổi các tính chất của polyme tạo thành. Hàm lƣợng xúc tác, thời
gian và nhiệt độ ảnh hƣởng đến hiệu suất tạo polyme, KLPT và đồng phân quang
học. PLA tổng hợp bằng trùng ngƣng các monome axit lactic cho KLPT trung bình
hoặc thấp hơn 1,6 x 104 g/mol, trong khi trùng hợp mở vòng các lactit cho KLPT
nằm trong khoảng 2,0 x 104 đến 6,8 x 105 g/mol.
1.1.2. Cấu tạo, cấu trúc của PLA
PLA là polyeste thuộc dãy béo, có công thức tổng quát nhƣ sau:

Công thức đơn giản của PLA
Với công thức phân tử nhƣ trên, PLA có chứa 1 nhóm -CH3 linh động trong
mạch. Cấu trúc này gây ra sự quay lập thể ở nguyên tử C và sinh ra các đồng phân
L, D và DL. Poly(L-lactic axit), poly(D-lactic axit) và poly(D,L-lactic axit) đƣợc

Footer Page 23 of 166.

tinh và sự có mặt của các co-monome khác có trong polyme. Các dung môi tốt cho
các poly(L-lactit) là các dung môi clorua hay florua hữu cơ, đioxan, furan. Bên

Footer Page 24 of 166.

7


Header Page 25 of 166.
cạnh các dung môi kể trên còn có các dung môi hữu cơ khác nhƣ axeton, pyridin,
etyl

lactat,

tetrahydrofuran,

xylen,

etylaxetat,

dimetylsulfoxit,

N,N-

dimetylfocmamit và metyl etyl xeton. Các dung môi không hòa tan polyme trên cơ
sở axit lactic là nƣớc, các rƣợu nhƣ metanol, etanol, propylen glycol và các
hydrocarbon chƣa thế nhƣ hexan, heptan... PLLA tan tốt trong các dung môi hữu
cơ nhƣ dẫn suất hữu cơ của clo, flo, dioxan, furan và PDLLA tan tốt trong các dung
môi nhƣ axeton, piridin, etyllactat, THF, xilen, etyl axetat [38].
1.1.3.2. Tính chất nhiệt