Tài liệu Tóm tắt luận án nghiên cứu tổng hợp vật liệu polyme trên cơ sở polyvinyl ancol (pva) biến tính với tinh bột, ứng dụng làm màng sinh học trong xử lý và điều trị vết thương

A- GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của đề tài Do yêu cầu cấp bách về bảo vệ sức khỏe của con người và cộng đồng, cùng với yêu cầu về phát triển sản phẩm mới, đồng thời để đáp ứng nhu cầu của thực tế công nghiệp và đời sống đặt ra, việc nghiên cứu tổng hợp polyme sinh học với nhiều tính chất ưu việt là vô cùng cần thiết. Để điều trị chữa bỏng và xử lý vết thương người ta có thể sử dụng màng sinh học thay thế gạc bỏng từ polyme sinh học như: collagen, chitin và chitosan, tuy các loại màng trên cơ sở các collagen khác nhau đã được chế tạo nhưng chúng vẫn còn mang những tính chất không mong muốn của collagen gốc như tạo ra dạng que, gia tăng sự biểu hiện gen collagen trong nguyên bào sợi. Chế tạo màng sinh học dạng lai tạo cũng là một hướng quan trọng khác trong công nghệ sinh y học, do màng polyme sinh học có ưu điểm là khi được cấy lên vết thương, nó có khả năng thấm nước, thấm khí, chống nhiễm khuẩn và làm khô da, giúp da tái tạo nhanh và phục hồi mà không làm bệnh nhân đau, không để lại sẹo. Trong số các loại polyme tổng hợp đó thì polyvinyl ancol (PVA) và tinh bột là hai loại đã được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu hướng tới những ứng dụng trong lĩnh vực y học. Nguyên nhân là do: PVA và tinh bột đều là những nguyên liệu tan tốt trong nước, có tính tương hợp sinh học cao, cả hai đều không độc và khi đã được khâu mạch, màng mỏng từ chúng có những tính chất cơ học tuyệt vời như: có tính năng cơ, lý tốt, có độ thấm nước và khí oxy cao. Đặc biệt hiện nay, nhiều công trình tập trung nghiên cứu vật liệu polyme trên cơ sở PVA biến tính tinh bột để chế tạo thành băng gạc, làm màng sinh học dùng để chữa trị các vết thương bị bỏng do lửa, nhiệt, xăng, bom, thuốc nổ, nước nóng….. Ngoài ra, màng sinh học này còn được sử dụng để xử lý và điều trị các vết thương bị gây ra bởi các nguyên nhân khác như: chấn thương, tai nạn giao thông, tai nạn lao động, hệ quả của bệnh tiểu đường, sau xạ trị ung thư, các vết mổ nhiễm trùng, vv…. 2. Mục tiêu và nội dung của luận án Mục tiêu là nghiên cứu nhằm tổng hợp vật liệu polyme trên cơ sở polyvinyl ancol (PVA) biến tính với tinh bột, ứng dụng làm màng sinh học sử dụng trong việc điều trị và xử lý vết thương. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ, lý, hóa của màng PVA/TB cấu trúc lưới như: tỷ lệ các thành phần tham gia như: PVA, hàm lượng tinh bột sắn biến tính, hàm lượng chất hóa dẻo, hàm lượng chất 1 khâu mạch, hàm lượng chất xúc tác; các điều kiện thực hiện phản ứng như: nhiệt độ, thời gian, tốc độ khuấy, xác định được điều kiện công nghệ tối ưu để chế tạo sản phẩm. Đã xây dựng được mối quan hệ giữa cấu trúc mạng lưới và tính chất của polyme PVA biến tính tinh bột (mật độ khâu mạch; khối lượng phân tử trung bình giữa các nút lưới, tính chất cơ lý, độ trương, độ thẩm thấu, hệ số khuếch tán,.... ). Những kết quả đó làm rõ ý nghĩa khoa học của luận án. Những kết quả đánh giá khả năng thủy phân invitro, đánh giá các chỉ tiêu sinh hóa của màng và những kết quả thử nghiệm trên động vật (thỏ) của màng sinh học PVA/TB cho thấy những giá trị ứng dụng thực tiễn của đề tài luận án. 4. Những đóng góp mới của luận án - Lần đầu tiên tại Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu sử dụng tinh bột sắn biến tính và polyvinyl ancol dạng xơ để chế tạo màng polyme sinh học PVA/TBbt, với việc sử dụng glutaraldehyt (GA) làm tác nhân khâu mạch. Đã tìm ra các điều kiện tối ưu (phối liệu các thành phần); điều kiện phản ứng,...) để chế tạo màng. Sản phẩm có tính chất cơ lý tốt, có khả năng trương nở, chỉ tiêu sinh hóa phù hợp có thể dùng làm màng da trong kỹ thuật chữa trị vết thương. - Ảnh hưởng và vai trò của chất tạo lưới glutaraldehyt đến mật độ phân bố lưới (n); khối lượng phân tử (KLPT) trung bình giữa hai nút lưới (Mc), kích thước giữa các mắt lưới (ξ), khả năng thẩm thấu hơi nước và độ trương của màng PVA biến tính với tinh bột đã được xác định. Với hàm lượng chất tạo lưới là 0,3% mật độ phân bố lưới đạt 3,258 x 10-4 mol/cm3, Mc đạt 1950 g/mol, và ξ đạt 227Ao, độ thẩm thấu hơi nước đạt 3,15.10-4 g/cm2.h. - Đã xây dựng được mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của polyme lưới trên cơ sở nhựa PVA với tinh bột biến tính sử dụng GA làm chất khâu mạch, góp phần củng cố lý thuyết về các polyme cấu trúc mạng lưới. Hệ số khuếch tán salicylic (SA) của màng PVA/TB đã được xác định với giá trị là 4,15.10-6 cm2/s. Kết quả này cho thấy màng PVA/TB thích hợp được dùng làm màng da nhân tạo để xử lý và hồi phục vết thương. - Đã xây dựng quy trình công nghệ chế tạo màng PVA/TB có tính ổn định nhất. Khả năng ứng dụng màng PVA biến tính tinh bột trong việc chữa trị vết thương đã được đánh giá thông qua các kết quả xác định các chỉ tiêu kim loại nặng, độ vô khuẩn và thử nghiệm trên động vật, vv.... 5. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 130 trang bao gồm các phần: Mở đầu 3 trang, chương 1: tổng quan có 40 trang, chương 2: thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu : 19 trang, chương 3: kết quả và thảo luận 53 trang, kết luận 2 trang, một số 2 hình ảnh thực tế của luận án 2 trang, tài liệu tham khảo 09 trang. Ngoài ra trong luận án có 43 bảng số liệu, 50 hình và sơ đồ, 134 tài liệu tham khảo và 39 trang phụ lục. B – NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong chương 1 luận án đã trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu tổng hợp polyme sinh học trên thế giới và ở Việt Nam, khái niệm về biến tính polyme và các phương pháp biến tính polyme, giới thiệu chung về vật liệu polyme trên cơ sở polyvinyl ancol biến tính với tinh bột, các nguyên vật liệu đầu và các phương pháp khâu mạch để biến tính polyme. Trong chương này luận án cũng trình bày các khái niệm màng polyme cấu trúc khâu mạch mạng lưới, các tác nhân khâu mạch và cơ chế khâu mạch polyme. Phản ứng khâu mạch được diễn ra dưới tác dụng của nhóm –OH ở mạch phân tử PVA cũng như của các nhóm –OH tại liên kết methylol (CH2OH) ở mạch phân tử tinh bột với hai nhóm aldehyt (CHO) của glutaraldehyt, với sự tham gia của xúc tác axit proton, dẫn đến hình thành các liên kết ngang qua phản ứng tách ra các phân tử nước (H2O). Như vậy, quá trình biến tính hóa học giữa PVA và tinh bột là rất đa dạng, phản ứng có thể xảy ra theo cơ chế ghép mạch hoặc cơ chế khâu mạch, tạo lưới hoặc nhiều phương thức khác. CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu và thiết bị 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 50-550 C, 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 500 C trong chân không đến khi đạt được khối lượng không đổi.  Pha dung dịch glutaraldehyt (GA): 1ml dung dịch GA 50% được pha trong 10ml etanol + 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 3 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. 2.3 Các phương pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc, tính chất của vật liệu + Các phương pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc của màng PVA/TB được xác định thông qua các phương pháp nghiên cứu như: Phổ hồng ngoại (IR) được đo trên máy Bruker-Tensor của Đức. Phổ cộng hưởng từ 1H-NMR và 13CNMR được thực hiện trên thiết bị Advance -500 hãng Bruker - Đức; Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray) được thực hiện trên thiết bị Bruker D 5005 (Đức); Tính chất nhiệt DSC và TGA được xác định trên thiết bị Perkin ElmerMoldel Pyris Sapphire (Nhật); cấu trúc bề mặt của mẫu bằng cách chụp trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) Jeol JMS 6360LV của Nhật Bản + Các phương pháp nghiên cứu tính chất cơ lý được sử dụng để xác định các chỉ tiêu như: độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ bền kháng thủng; hàm lượng phần gel và độ hút ẩm của vật liệu . + Phương pháp xác định độ trương theo TCVN 2752-78; + Xác định mật độ khâu mạng và khối lượng phân tử giữa các nút mạng theo phương pháp ngâm trương nở bão hòa (ở nhiệt độ phòng) +Độ thấm thấu hơi nước được xác định theo tiêu chuẩn ASTM E96. + Sự phân hủy thủy phân của vật liệu trong in vitro: được nghiên cứu thông qua: độ tổn hao khối lượng và phổ sắc ký khí (GC) được sử dụng để phân tích định lượng các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy của màng PVA/TB trong invtro. +Xác định hàm lượng kim loại nặng của vật liệu màng PVA/TB theo QCVN 8-1:2011/BYT. Các mẫu đo hàm lượng kim loại nặng bằng thiết bị hấp thụ nguyên tử VARIAN 240F3AA Alizent (Mỹ). + Phương pháp thử độ vô khuẩn Sản phẩm sau khi được đóng gói kín, được khử trùng bằng bức xạ tia γ với liều lượng 15kGy, trong 10 giờ tại trung tâm chiếu xạ Hà Nội (Viện Năng lượng-Viện KH&CNVN), sau đó được đem thử độ vô khuẩn theo dược điển Việt Nam, 2002. 4 2.4. Phương pháp thử nghiệm trên động vật + Kiểm tra độ kích ứng da + Đánh giá khả năng hồi phục vết thương của màng PVA/TB + Kiểm tra độc tính màng PVA/TB CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp polyvinyl ancol (PVA) biến tính tinh bột Trước hết, luận án trình bày những kết quả nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến tính chất cơ, lý, hóa của polyme (tỷ lệ thành phần tham gia, tỷ lệ phụ gia liên kết, chất khâu mạch, chất hóa dẻo, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ, thời gian, tốc độ khuấy, vv…) nhằm để xác định các điều kiện tổng hợp và đơn phối liệu tối ưu. Những dãy thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố đến tính chất cơ lý của sản phẩm là rất cần thiết, kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày sau đây: 3.1.1 Ảnh hưởng của các loại PVA và tinh bột cho tổng hợp vật liệu PVA biến tính tinh bột Bảng 3.1 Một số tính chất cơ lý của 3 loại PVA STT Tính chất Đơn vị PVA xơ PVA205 PVA 217 1 2 Độ bền kéo đứt Độ dãn dài 3 Độ nhớt 4 Độ thủy phân 5 6 o Tỷ trọng (20 C/4 o C) KLPT trung bình MPa % 52,32 435,0 21,22 80,47 29,52 130,85 MPa.s 29,5 20,5 24,5 % mol 99 86 89 - 1,10 1,25 1,31 g/mol 120 000 4 000 41 000 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của 3 loại PVA đến tính chất cơ lý của màng PVA/TB ĐK: tỷ lệ PVA/TB = 80/20PKL (16g/4g); Glyxerin: = 30% (6g).Hàm lượng GA= 0,3% (1,2ml dung dịch GA); Nhiệt độ = 80oC; thời gian 3 giờ; Thay đổi: các loại PVA gồm PVA xơ; PVA 205 và PVA217 STT Tính chất Màng Màng Màng PVA xơ PVA205/TB PVA217/TB /TB 1 Độ bền kéo đứt, 18,5 22,8 27,5 [MPa] 5 2 3 4 Độ dãn dài khi đứt, [%] Độ bền kháng thủng, [MPa] Hàm lượng phần gel, [%] 506,5 102,7 110,6 49,5 33,5 40,7 71,2 60,3 65,8 Từ bảng 3.1 và bảng 3.2 cho thấy: màng PVA xơ có tính chất cơ lý cao hơn hai loại còn lại là màng PVA 217 và PVA 205. Vì vậy, nguyên liệu PVA xơ thích hợp cho tổng hợp vật liệu PVA/TB ứng dụng làm màng sinh học che phủ vết thương, giữ ẩm trong xử lý và điều trị vết thương. 3.1.2. Ảnh hưởng của tinh bột biến tính đến tính chất của vật liệu PVA biến tính tinh bột Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tinh bột biến tính đến tính chất của PVA/TB STT Tính chất cơ lý Màng PVA/tinh Màng bột chưa biến PVA/tinh bột tính đã biến tính 1 Độ bền kéo, MPa 21,5 27,8 2 Độ dãn dài, % 410,5 502,5 3 Độ bền kháng thủng, MPa 42,3 52,8 4 5 Hàm lượng phẩn gel, [%] Độ hút ẩm sau 15 ngày, [%] 65,0 12,3 72,6 1,5 Từ bảng 3.3 trên cho thấy: màng PVA biến tính với tinh bột đã biến tính có tính chất cơ lý tốt hơn so với màng PVA với tinh bột không biến tính 3.1.3. Ảnh hưởng của các thành phần tham gia phản ứng đến tính chất của màng PVA biến tính với tinh bột Bảng 3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần PVA /TB đến tính chất cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột Tỷ lệ thành Độ bền kéo Độ bền kháng Độ dãn dài Tên phần PVA/TB, thủng, [MPa] K [MPa]  [%] mẫu [%] T1 100/0 52,32 77,32 435,0 T2 T3 95/5 90/10 32,38 30,52 73,50 69,35 201,5 185,5 6 T4 T5 T6 T7 85/15 80/20 75/25 70/30 29,98 26,43 20,56 18,41 65,20 64,18 50,25 44,50 172,7 169,0 123,5 111,9 Kết quả từ bảng 3.4 cho thấy: khi hàm lượng tinh bột tăng lên từ 0 đến 50% khối lượng, độ bền kéo của vật liệu giảm từ 52,32 MPa xuống 8,95MPa, độ bền kháng thủng giảm từ 77,32 MPa xuống còn 22,59MPa và độ dãn dài cũng giảm từ 435,0% xuống còn 32,5 %. Vậy để đảm bảo tính chất của màng PVA/TB tốt, thỏa mãn yêu cầu về độ bền cơ học tỷ lệ thành phần PVA/TB thích hợp cho tổng hợp polyme sinh học là 80/20 PKL. Theo hình 3. 1 cho thấy : khi tăng hàm lượng chất hóa dẻo từ 0 đến 50% khối lượng; độ bền kéo của vật liệu polyme giảm dần từ 26,43 MPa xuống còn 10,15 MPa, độ bền kháng thủng giảm từ 64,18MPa xuống còn 26,9 MPa. Tuy nhiên độ dãn dài lại khác: khi hàm lượng glyxerin tăng từ 0 đến 30% khối lượng; độ dãn dài tăng lên từ 169,0 đến 548,5%, nếu tiếp tục tăng hàm lượng glyxerin lên cao hơn 30% khối lượng; độ dãn dài giảm từ 548,5% xuống còn 385,3%. Do đó, với hàm lượng glyxerin là 30% GL thích hợp được sử dụng tổng hợp màng da nhân tạo PVA/TB Hình 3.1 Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng glyxerin đến độ bền kéo, độ bền kháng thủng và độ dãn dài khi đứt của PVA biến tính tinh bột Đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng GA đến tính chất cơ lý của PVA biến tính tinh bột, kết quả đo độ bền cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột được trình bày trong bảng 3.7. 7 Bảng 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng GA đến tính chất cơ lý của màngPVA/TB Tên Hàm lượng Độ bền Độ bền Độ Độ hút ẩm, mẫu glutaraldehyt, kéo kháng dãn sau 30 ngày, [%] thủng, dài [%] K MPa] [MPa]  [%] GA1 9,8 0,0 20,50 42,04 548,5 GA2 0,1 23,55 49,55 530,9 7,5 GA3 5,2 0,2 25,76 50,98 525,8 3,8 GA4 0,3 27,58 54,78 520,9 GA5 0,4 26,95 55,28 518,5 6,5 7,2 GA6 0,5 26,89 58,23 517,7 GA7 0,6 26,25 48,38 555,8 8,9 9,3 GA8 0,7 25,28 45,08 603,9 Từ bảng 3.7 cho thấy: khi hàm lượng GA tăng từ 0 đến 0,3%, độ bền kéo đứt tăng từ 20,5 MPa lên 27,58MPa, độ bền kháng thủng tăng từ 42,04 MPa lên 54,78 MPa, còn độ dãn dài giảm dần từ 548,5% xuống 520,9%. Tuy nhiên khi hàm lượng GA tăng lên từ 0,3 đến 0,7%, độ bền kéo và độ bền kháng thủng lại giảm xuống còn lần lượt là: 25,28MPa; 45,08MPa; trong khi đó độ dãn dài lại tăng lên 603,9%.Khi tăng hàm lượng GA tại 0,3% độ hút ẩm của màng nhỏ nhất là 3,8%. Vì vậy, hàm lượng GA thích hợp được sử dụng để tổng hợp vật liệu PVA/TB là 0,3%. Đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng của các loại chất xúc tác đến tính chất cơ lý của màng polyme PVA/TB. 600 500 400 300 200 100 0 519.6 365.9 Xúc tác HCl 29.83 23.8 53.38 42.5 Độ bền kéo, MPa Xúc tác H2SO4 Độ bền Độ dãn dài. kháng % thủng, MPa Hình 3.2. Ảnh hưởng của loại xúc tác đến tính chất của cơ lý của màng PVA/TB 8 Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác HCl đến tính chất cơ lý của PVA biến tính tinh bột Kết quả thu được trình bày trong hình 3.2 và hình 3.3, axit HCl được sử dụng làm tác nhân xúc tác cho phản ứng tạo màng PVA/TB cho tính chất cơ lý của màng tốt hơn. Tại hàm lượng xúc tác HCl 0,05%, tính chất cơ lý của màng PVA/TB cao nhất, nên hàm lượng HCl thích hợp được sử dụng để tổng hợp polyme PVA/TB là 0,05%. 3.1.4. Các điều kiện tối ưu tổng hợp màng PVA biến tính tinh bột. Ngoài nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần tham gia phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng hưởng đến tính chất cơ lý của màng PVA/TB khác cũng được lần lượt tiến hành như: nhiệt độ, thời gian và tốc độ khuấy: + Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng tạo lưới để tạo màng PVA/TB, các điều kiện phản ứng được giữ nguyên không thay đổi, ở đây chúng tôi chỉ thay đổi nhiệt độ phản ứng từ 60-100oC. Kết quả đo độ bền cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột cho thấy: khi nhiệt độ phản ứng < 60oC phản ứng không xảy ra do chưa đạt đến nhiệt độ hòa tan PVA xơ. Khi nhiệt độ tăng từ 70oC đến 80oC phản ứng xảy ra êm dịu, tốc độ phản ứng tăng lên làm phản ứng khâu mạch diễn ra nhanh, do đó tính chất cơ lý của vật liệu PVA/TB tăng. Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên, tính chất cơ lý của màng da nhân tạo trên cơ sở PVA biến tính với tinh bột giảm. Cụ thể: độ bền kéo giảm từ 27,8MPa xuống 25,58MPa; độ bền kháng thủng giảm từ 54,79MPa xuống 45,78MPa; độ dãn dài giảm từ 522,5% xuống 347,3%. Vì vậy, nhiệt độ thích hợp dùng để khâu mạch 9 tạo lưới PVA với tinh bột sử dụng tác nhân tạo lưới glutaraldehyt trong quá trình tổng hợp màng PVA/TB là 80oC. + Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến phản ứng tổng hợp vật liệu PVA biến tính với tinh bột, các điều kiện phản ứng được giữ nguyên không thay đổi. Ở đây, thời gian phản ứng sau khi cho dung dịch GA cho vào hỗn hợp PVA, tinh bột và glyxerin đồng nhất được thay đổi theo thứ tự từ 1 giờ; 1,5 giờ; 2 giờ, 2,5 giờ; 3 giờ; 3,5 giờ và 4 giờ. Kết quả đo độ bền cơ lý của màng PVA/TB cho thấy: khi thời gian phản ứng là 3 giờ, tính chất cơ lý của màng PVA/TB cao nhất:, độ bền kéo 27,58 MPa, độ bền kháng thủng 54,78MPa và độ dãn dài tăng 520,3%. Vì vậy, thời gian thích hợp để tổng hợp màng PVA biến tính với tinh bột là 3 giờ. + Để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến phản ứng tổng hợp vật liệu PVA biến tính với tinh bột, các điều kiện phản ứng được giữ nguyên không thay đổi, ở đây chúng tôi chỉ thay đổi tốc độ khuấy phản ứng trong khoảng từ 50 vòng/phút đến 500 vòng/phút. Kết quả đo độ bền cơ lý của màng PVA/TB cho thấy: ở tốc độ khuấy 400 vòng/phút phản ứng tổng hợp màng PVA/TB cho độ bền cơ học cao nhất: độ bền kéo 29,7MPa; độ bền kháng thủng 55,35MPa và độ dãn dài tăng từ 268,5% lên 520,8%, nên được chọn để tổng hợp màng PVA/TB Từ kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần tham gia phản ứng(tỷ lệ PVA/TB; hàm lượng glyxerin; hàm lượng glutaraldehyt, xúc tác...) và của các điều kiện phản ứng tạo lưới (nhiệt độ, thời gian, tốc độ khuấy...) đến tính chất cơ lý của màng PVA/TB như đã trình bày ở trên có thể tổng hợp các điều kiện phản ứng thích hợp cho quá trình tổng hợp polyme trên cơ sở PVA biến tính với tinh bột như sau: STT 1 2 3 4 5 6 7 8 Bảng 3.9: Các điều kiện tổng hợp PVA biến tính tinh bột Điều kiện Đơn vị Giá trị PVA xơ %KL 80 Tinh bột sắn % KL 20 Chất hóa dẻo glyxerin (theo tổng khối % KL 30 lượng của PVA +TB) Glutaraldehyt (GA) (theo tổng khối lượng % KL 0,3 của PVA +TB) Chất xúc tác HCl 0,1N (theo tổng khối % KL 0,05 lượng của PVA +TB) o Nhiệt độ phản ứng C 80 Thời gian để phản ứng Giờ 3 Tốc độ khuấy vòng/phút 400 10 3.2. Đặc trưng cấu trúc của polyvinyl ancol (PVA) biến tính tinh bột 3.2.1. Phổ hồng ngoại của màng PVA biến tính tinh bột So sánh các phổ cho thấy: có sự chuyển dịch của các píc đặc trưng cho các dao động biến dạng của các liên kết nhóm chức, nguyên nhân là do các phân tử tinh bột và các chất phụ gia xen vào giữa các mạch phân tử PVA. Tại phổ hồng ngoại PVA/TB xuất hiện đỉnh píc có píc có bước sóng 1728,8 cm-1 đặc trưng cho nhóm aldehyt (CHO), điều này chứng tỏ glutaraldehyt đã tham gia phản ứng tạo liên kết ngang giữa PVA với tinh bột. Nguyên nhân là do glutaraldehyt (GA) có khả năng hình thành các liên kết hemiaxetal với nhóm hydroxyl có trong PVA và tinh bột để tạo ra một mạng lưới có liên kết chặt chẽ giữa các mắt xích trong mạch polyme. 3.2.2. Kết quả phân tích cộng hưởng từ hạt nhân của màng PVA/TB Hình 3.8 Phổ 1H- NMR của PVA Hình 3.9 Phổ 1H- NMR của màng PVA/TB Từ hình 3.9 phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR của PVA cho thấy: Các tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 1,5-1,67 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm liên kết –CH3. Các tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 1,862,02 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm liên kết –CH2. Nhóm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học từ 3,9 3,95 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm -CH Từ hình 3.10 phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR của PVA/TB cho thấy: nhóm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học từ 1,46 2,04 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm –CH3. Các nhóm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học trong khoảng từ 3,8 4,7 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm – CH. Các tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 1,89-2,04 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm liên kết –CH2. Đặc biệt xuất hiện 3 nhóm tín hiệu liên tiếp có độ chuyển dịch hóa học trong khoảng 3,45-3,70 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm–CH2–CH2–CH2- của glutaraldehyt (OCH-CH2-CH211 CH2-CHO). Điều này chứng tỏ trong cấu trúc phân tử vật liệu PVA/TB xuất hiện liên kết ngang glutaraldehyt có tác dụng khâu mạch tạo lưới giữa mạch phân tử PVA với tinh bột. 3.2.3. Phân tích phổ XRD của PVA và màng PVA/TB Hình 3.10 Phổ XRD của PVA Hình 3.12 Phổ XRD của vật liệu màng trên cơ sở PVA biến tính tinh bột So sánh 2 phổ XRD của PVA và màng PVA/TB trên hình 3.11 và hình 3.13 cho thấy: cường độ píc đặc trưng của màng PVA/TB tại góc nhiễu xạ 19,6o thấp hơn so với cường độ píc đặc trưng của màng PVA tại góc nhiễu xạ 20,4o, nguyên nhân là do tinh bột đã xen vào các mạch phân tử PVA làm giảm giảm cường độ píc, nhưng đã làm tăng độ rộng của píc so với PVA và tinh bột riêng rẽ. 3.2.4. Phân tích nhiệt DSC và TGA của PVA và màng PVA/TB Hình 3.13 Phổ phân tích nhiệt DSC của PVA 12 Hình 3.14 Phổ TGA của PVA Hình 3.15 Phổ phân tích nhiệt DSC của Hình 3.16 Phổ TGA của PVA màng PVA/TB biến tính tinh bột Từ hình 3.13 đến 3.16 -phổ đồ phân tích nhiệt TG-DSC của màng polyme PVA/TB cho thấy: khoảng nhiệt độ hóa thủy tinh của màng PVA biến tính tinh bột giảm xuống còn là 74-75oC, khoảng nhiệt độ chảy mềm là 190o – 210oC; khi nhiệt độ > 220 oC thì xảy ra quá trình phân hủy polyme PVA/TB và đến nhiệt độ trên 400oC thì màng phân hủy nhiệt gần hết. 3.3. Mối liên hệ giữa cấu trúc mạng lưới sử dụng chất khâu mạch glutaraldehyt đến tính chất cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột 3.3.1. Sự phụ thuộc của mật độ khâu mạch, khối lượng phân tử giữa các nút lưới và kích thước lưới vào hàm lượng GA Hình 3.17 Sự phụ thuộc khối lượng phân tử trung bình giữa hai nút lưới và kích thước lưới vào hàm lượng GA 13 Từ đồ thị trên hình 3.18 biểu diễn sự phụ thuộc của KLPTTB giữa 2 nút Mc và kích thước lưới cho thấy khi hàm lượng GA tăng từ 0,1% lên 0,3%, khối lượng phân tử giữa hai nút mạng giảm nhanh từ 8985 g/mol xuống 1950 g/mol, kích thước lưới giảm nhanh từ 513Ao xuống 227Ao. Khi tiếp tục tăng hàm lượng GA từ 0,3% lên 0,6% khối lượng phân tử giữa 2 nút mạng của màng PVA/TB giảm chậm dần từ 1950g/mol xuống 1070g/mol và kích thước lưới giảm từ 227 Ao xuống 98Ao. Với hàm lượng tăng lên của chất tạo lưới glutaraldehyt (GA), mật độ phân phối lưới (hay còn gọi là mật độ khâu mạng) tăng theo. Mật độ khâu mạng càng cao thì khối lượng phân tử trung bình giữa hai nút mạng (Mc) càng giảm thì kích thước trung bình giữa các mắt lưới cũng giảm theo. Kết quả này là phù hợp với những nghiên cứu trước đây về cấu trúc -tính chất các polyme lưới (networking polymer). Đối với các cấu trúc lưới lý tưởng, các biến thiên trên thường theo quy luật tuyến tính, nếu các phản ứng tạo lưới xảy ra trên cơ sở mạch polyme có 2 nhóm chức ở cuối mạch và chất tạo lưới 4 chức theo cơ chế đồng đa tụ. Đối với màng PVA/TB, tuy không thể đạt được đến cấu trúc lưới lý tưởng, việc hình thành và các biến thiên tính chất là tuân theo quy luật về lý thuyết các polyme lưới. 3.3.2. Mối quan hệ giữa khối lượng phân tử trung bình giữa các nút lưới và khối lượng riêng của polyme lưới PVA/TB Bảng 3.11 Ảnh hưởng của KLPT trung bình giữa các nút lưới đến độ kết tinh và khối lượng riêng của polyme lưới KLPT trung bình giữa các TT Khối lượng riêng [g/cm3] nút lưới, [g/mol] KL1 8985 1,285 KL2 4680 1,300 KL3 1,320 1950 KL4 1355 1,325 KL5 1220 1,326 KL6 1070 1,328 Kết quả ở bảng 3.11 cho thấy: khi KLPT trung bình giữa các nút lưới giảm từ 8985g/mol xuống 1070g/mol, khối lượng riêng của màng PVA/TB tăng từ 1,285g/cm3 lên 1,328g/cm3. Nguyên nhân là do khi KLPT trung bình các nút lưới giảm, mật độ phân tử trong một đơn vị thể tích tăng lên, nên khối lượng phân tử trong một đơn vị thể tích cũng tăng lên. 3.3.3. Mối tương quan giữa tính chất thẩm thấu hơi nước của màng PVA/TB với hàm lượng tác nhân khâu mạch GA 14 Bảng 3.12 Mối tương quan giữa tính chất thẩm thấu hơi nước của màng PVA/TB với hàm lượng GA Tên Thành phần Hàm lượng GA theo Độ thẩm thấu hơi mẫu khối lượng PVA + TB, nước, [g/cm2.h] [%] T1 PVA 0,0 0,59.10-4 T2 PVA/TB/GL/GA 0,1 2,83.10-4 T3 PVA/TB/GL/GA 0,2 2,96.10-4 T4 PVA/TB/GL/GA 0,3 3,15.10-4 T5 PVA/TB/GL/GA 0,4 3,02.10-4 T6 PVA/TB/GL/GA 0,5 2,98.10-4 T7 PVA/TB/GL/GA 0,7 1,57.10-4 T8 PVA/TB/GL/GA 1,0 1,14.10-4 Từ bảng 3.12 cho thấy: Đối với màng PVA khả năng thẩm thấu hơi nước thấp hơn rất nhiều so với màng PVA biến tính tinh bột sắn sử dụng glutaraldehyt làm tác nhân tạo lưới, điều này cho thấy màng PVA/TB cấu trúc dạng mạng lưới, xốp có khả năng thẩm thấu hơi nước tốt hơn. Khi hàm lượng GA tăng từ 0,1% lên 0,3%, độ thẩm thấu hơi nước của màng PVA/TB tăng từ 2,83.10-4 g/cm2.h lên 3,15.10-4g/cm2.h. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng hàm lượng GA lên từ 0,3% lên 1,0%, độ thẩm thấu hơi nước của màng PVA/TB lại có xu hướng giảm từ 3,15.10-4 g/cm2.h xuống 1,14.104 g/cm2.h. 3.3.4. Hệ số khuyếch tán axit salisilic của màng PVA/TB Hệ số khuếch tán axit salicylic được xác định bằng cách tính toán và tìm ra nồng độ axit salicylic tại 2 khoang thử nghiệm. Lập đồ thị biểu diễn hàm lượng salicylic ở khoang 1 và khoang 2 theo thời gian và xây dựng đồ thị -lnX theo thời gian, -lnX được tính theo công thức: –lnX= -ln [{C1(t) –C2(t)}/{ C1(0) –C2(0)}] Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn hàm Hình 3.19 Đồ thị xác định hệ số 15 lượng axit salicylic ở khoang 1 và khuếch tán axit salicylic khoang 2 theo thời gian Áp dụng công thức tính hệ số khuếch tán (D) theo giá trị nồng độ trong hai khoang bằng theo phương trình cân bằng, hệ số khuếch tán của màng PVA/TB đã được xác định là 4,15.10-6 cm2/s, điều này chứng tỏ màng PVA/TB có khả năng thẩm thấu cao các chất có chứa nhóm chức cồng kềnh. 3.3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ trương của màng PVA/TB Do màng PVA/TB có cấu trúc mạng lưới nên có khả năng trương trong dung môi, làm màng PVA/TB có khả năng giữ ẩm, tránh mất nước và các chất điện giải bề mặt cho các vết thương mất da, tạo điều kiện cho quá trình hồi phục, giảm đau rát cho bệnh nhân và mau lành vết thương. Vì đây là đặc trưng nổi bật của màng PVA/TB nên các yếu tố ảnh hưởng đến độ trương của màng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng như: ảnh hưởng của mật độ phân bố lưới, khối lượng phân tử trung bình giữa hai nút lưới, nhiệt độ, thời gian ngâm và môi trường pH. 3.3.5.1 Ảnh hưởng của mật độ phân bố lưới và khối lượng phân tử giữa hai nút lưới (Mc) đến độ trương của màng PVA/TB Kết quả từ hình 3.20 và hình 3.21 cho thây: khi mật độ khâu mạng tăng từ 0,707.104 mol/cm3 lên 5,935.104 mol/cm3; độ trương của màng giảm từ 295,5% xuống 145,8%. Nguyên nhân là do mật độ khâu mạch càng tăng, khoảng cách giữa các nút lưới càng giảm, dẫn đến độ trương càng giảm. Từ hình 3.22 cho thây: khi KLPT trung bình giữa hai nút lưới (Mc) tăng từ 1070g/mol lên 8985 g/mol; độ trương của màng tăng từ 145,8% lên 295,5%. Nguyên nhân là do KLPT trung bình giữa hai nút lưới tăng, khoảng cách giữa các phân tử càng tăng, dẫn đến độ trương càng tăng. Hình 3.20 Ảnh hưởng của mật độ phân bố lưới đến độ trương của màng PVA/TB 16 Hình 3.21 Ảnh hưởng của KLPT trung bình giữa hai nút lưới đến độ trương của màng PVA/TB 3.3.5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ trương của màng PVA/TB Kết quả đo độ trương nở của màng PVA và màng PVA/Tinh bột/Glyxerin (tỷ lệ PVA/TB/GL= 80/20/30 PTL), sử dụng glutaraldehyt làm tác nhân tạo lưới hàm lượng 0,3% sau 24 giờ ngâm trong nước được biểu diễn trong bảng 3.14. Bảng 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ trương của màng PVA/TB STT Nhiệt độ, oC Độ trương của Độ trương của màng màng PVA xơ, % PVA biến tính tinh bột, % 1 30 128,5 197,5 2 35 135,6 239,7 3 40 145,9 245,9 4 45 162,8 295,7 Từ kết quả bảng 3.14 cho thấy: khi ngâm mẫu trong nước ở nhiệt độ tăng dần từ 30oC lên 45oC, độ trương của màng PVA xơ tăng từ 128,5% lên 162,8%, độ trương của màng PVA biến tính tinh bột tăng từ 197,5% lên 295,7%. So sánh kết quả cho thấy độ trương của màng PVA biến tính tinh bột có giá trị cao hơn độ trương của màng PVA. 3.3.5.3 Mối liên hệ giữa môi trường pH và độ trương của màng PVA/TB Màng cắt theo kích thước tiêu chuẩn hình chữ nhật 1x12cm, được ngâm trực tiếp trong dung dịch pH = 3,5, 7, 9 ở nhiệt độ phòng, trong 72 giờ. Mẫu sau khi trương được sấy khô ở 37oC hút chân không đến khối lượng không đổi. Độ trương cân bằng được trình bày trong hình 3.22. Từ hình 3.22 cho thấy: độ trương của mẫu PVA/TB tăng dần từ 175,5% đến 214% ứng với giá trị pH từ 3 đến 11. Trong môi trường kiềm độ trương của vật liệu PVA/TB cao hơn trong môi trường axit. Ở dung dịch có pH=9 độ trương của mẫu màng PVA/TB đạt được giá trị cao là 212,5%. Thí nghiệm tương tự tại 3 nhiệt độ khác nhau, sử dụng themostat để điều chỉnh nhiệt độ. Kết quả cho thấy: tại cùng một môi trường pH, khi nhiệt độ tăng lên cũng làm khả năng trương của mẫu tăng theo. 17 Hình 3.22 Độ trương của vật liệu PVA biến tính tinh bột theo môi trường pH 3.4. Sự thủy phân invitro của màng PVA biến tính tinh bột 3.4.1. Sự thay đổi tính chất cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột Bảng 3.16 Sự thay đổi tính chất cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột Tên Thời gian ngâm mẫu Độ bền kéo, Độ dãn Độ bền kháng mẫu trong nước, [tuần] [MPa] dài, [%] thủng, MPa] T1 0 29,5 520,9 54,8 T2 2 28,8 499,7 48,9 T3 4 27,6 435,6 43,5 T4 6 26,5 356,9 39,2 T5 8 24,5 294,6 35,5 T6 10 23,4 231,8 28,1 T7 12 22,9 198,7 24,6 Từ bảng 3.16 cho thấy: tính chất cơ lý của màng PVA/TB giảm dần khi thời gian ngâm mẫu trong nước tăng lên. Cụ thể là: khi thời gian ngâm mẫu tăng từ 0 tuần lên 12 tuần độ bền kéo giảm từ 29,5MPa xuống 22,9 MPa; độ bền kháng thủng giảm từ 54,8MPa giảm xuống còn 24,6 MPa; độ dãn dài giảm từ 520,9% xuống còn 198,7%. Điều này xảy ra là do mẫu màng PVA/TB bị thủy phân làm đứt các liên kết mạch đại phân tử nên tính chất cơ lý của màng PVA/TB bị giảm dần. 3.4.2. Sự thay đổi pH môi trường của màng PVA/TB theo thời gian ngâm mẫu Các mẫu có kích thước tiêu chuẩn, được ngâm trong môi trường phân hủy invitro có pH ban đầu là 7,4. Theo thời gian định kỳ 2 tuần một lần tiến hành đo lại để xác định pH. 18 Hình 3.23 Sự thay đổi pH môi trường ngâm màng PVA và màng PVA/TB theo thời gian . Hình 3.23 biểu diễn sự thay đổi độ pH của môi trường pH ngâm màng PVA và màng PVA/TB theo thời gian, cho thấy: khi ngâm mẫu từ 0 đến 12 tuần, độ pH môi trường ngâm màng PVA tăng dần từ 7,40 lên 8,8; nhưng độ pH môi trường ngâm màng PVA/TB lại giảm từ 7,40 xuống còn 5,58. Tốc độ thay đổi môi trường pH ngâm hai màng xảy ra nhanh ứng với khoảng thời gian từ 2 đến 8 tuần. Sự thay đổi pH của môi trường phân hủy ngâm màng PVA là do sự thủy phân của màng sinh ra các loại ancol phân tử thấp. Còn sự thay đổi pH của môi trường phân hủy ngâm màng PVA/TB là do sự thủy phân làm đứt các liên kết ngang giữa GA nối mạch PVA với tinh bột tạo các loại axit hữu cơ thấp phân tử nên độ pH giảm dần 3.4.3.Xác định sản phẩm của sự phân hủy thủy phân Hình 3.24 Phổ GC sản phẩm phân hủy của màng PVA/TB sau 40 ngày Kết quả phân tích sản phẩm phân hủy từ hình 3.24 cho thấy các hợp chất khối lượng phân tử thấp hình thành trong suốt quá trình phân hủy thủy phân, so sánh với phổ chuẩn các chất thấp phân tử chủ yếu là etanol (có đỉnh píc tại 9,18 phút; 9,607 phút), nước (có đỉnh píc tại 4,084 phút;), cacbonyl, cacbon dioxit ( có đỉnh píc 19 tại 10,452 phút; 10,852 phút),... Sự nghiên cứu và xác định sản phẩm phân hủy là rất quan trọng, cho phép dự báo khả năng phân hủy và tính tương hợp sinh học của màng PVA biến tính tinh bột. 3.4.4. Độ tổn hao khối lượng của màng PVA biến tính tinh bột Hình 3.25 Độ tổn hao khối lượng của màng PVA/TB theo thời gian. Từ hình 3.25 cho thấy: Khi thời gian ngâm mẫu màng PVA/TB trong nước tăng từ 0 đến 60 ngày, độ tổn hao khối lượng tăng từ 0 lên 28,5%. Độ tổn hao khối lượng của màng tăng nhanh trong khoảng 45 ngày, sau đó tăng chậm dần là do các mạch polyme cấu trúc lưới thưa bị phân hủy trước, cuối cùng còn lại phần polyme lưới đặc sít khó phân hủy hoặc rất chậm. 3.5. Các chỉ tiêu sinh hóa của màng PVA biến tính tinh bột 3.5.1 Xác định các chỉ tiêu về hàm lượng kim loại nặng Kết quả từ bảng 3.17 cho thấy: Các chỉ tiêu cơ bản về về hàm lượng kim loại nặng của các mẫu màng PVA/TB đều đáp ứng được yêu cầu giới hạn ô nhiễm kim loại nặng của Bộ Y tế. Bảng 3.17 Hàm lượng kim loại nặng của màng PVA/TB STT Tên chỉ tiêu Hàm lượng kim loại nặng Mức giới hạn [ppm] cho phép theo QCVN 8Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Trung 1:2011/BYT bình 1 Thủy ngân(Hg) 0,01 0,01 0,01 0,010 < 0,05 2 Antimony (Sb) 0,05 0,03 0,04 0,040 <0,05 3 Asen (As) 0,02 0,01 0,01 0,013 < 0,5 4 Cadmi (Cd) 0,01 0,01 0,01 0,010 < 0,1 5 Chì (Pb) 0,03 0,04 0,04 0,037 < 0,2 6 Thiếc (Sn) 0,11 0,10 0,11 0,107 < 250 7 Kẽm (Zn) 0,09 0,08 0,08 0,083 20