Tổng hợp vật liệu polyme dạng hydrogel nhạy nhiệt (TT)

  • Số trang: 26 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 99 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27670 tài liệu

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC HOÀNG DƢƠNG THANH TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME DẠNG HYDROGEL NHẠY NHIỆT Chuyên ngành: Hoá hữu cơ Mã số: 62.44.01.14 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ HÀ NỘI - 2014 Công trình được hoàn thành tại: Phòng vật liệu Polyme Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Nguyễn Văn Khôi 2. PGS.TS. Trần Thị Nhƣ Mai Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Việt Bắc Phản biện 2: GS. TS. Bùi Chương Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Thị Bích Thủy Luận án sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước tại Viện Hóa học Vào hồi…….giờ…….ngày…….tháng……năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia hà Nội - Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học của luận án Polyme chức năng hay polyme "thông minh" là một hướng quan trọng trong ngành vật liệu cao phân tử thời gian gần đây. Các loại vật liệu polyme đặc biệt này thu hút được mối quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học bởi chúng có khả năng ứng đáp với các kích thích bên ngoài như pH, nhiệt độ, lực ion, điện và từ trường, các kích thích hoá học và sinh học … Các vật liệu polyme nhóm này còn thể hiện khả năng ứng đáp đồng thời với nhiều kích thích từ môi trường ngoài. Ngày càng có nhiều ứng dụng của vật liệu polyme thông minh trong các lĩnh vực như cảm biến sinh học, vận chuyển thuốc, chuyển gen và công nghệ tế bào. Cơ chế của polyme thông minh được giải thích một cách đơn giản là sự thay đổi trạng thái của các mạch trong polyme theo những thay đổi của môi trường ngoài gây ra những tính chất thú vị có giá trị ứng dụng trong thực tế. Một trong những ứng dụng có giá trị nhất của các polyme thông minh hiện nay là sử dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm như một tác nhân duy trì hoạt tính đối với các loại thuốc điều trị là những phân tử sinh học như polypeptit, protein hay enzim. Các polypeptit, protein hay enzim chỉ có thể được cơ thể tiếp nhận theo những cách hạn chế bởi chúng có thể bị phân huỷ hay mất tác dụng khi đi qua những môi trường bất lợi trong cơ thể dẫn đến giảm hiệu quả chữa bệnh. Việc phát triển các chất mang thuốc có khả năng kết nang, cố định thuốc, giải phóng thuốc theo điều kiện môi trường … cho phép thuốc được vận chuyển đến đúng vị trí mong muốn trong cơ thể một cách an toàn, đúng thời điểm cần thiết và đúng liều quy định mà trước đây chưa thể thực hiện được. Một nhóm sản phẩm điển hình của các polyme thông minh đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng mạnh mẽ thời gian gần đây là các hydrogel. Hydrogel là polyme với cấu trúc mạng lưới 3 chiều có khả năng hấp thu một lượng nước cũng như chất lỏng sinh học lớn gấp nhiều lần khối lượng của chính nó và trương trong các môi trường này mà vẫn duy trì được cấu trúc ban đầu. Hydrogel cũng có khả năng ứng đáp với nhiều kích thích vật lý, hoá học khác nhau, đặc biệt là khả năng ứng đáp theo nhiệt độ môi trường, nên nó trở thành vật liệu tiềm năng để phát triển các chất mang trong công nghệ tế bào, các hệ vận chuyển thuốc tự điều chỉnh, các thiết bị cấy ghép trong đó đứng ở vị trí hàng đầu trong nghiên cứu là các hệ vận chuyển thuốc trên cơ sở hydrogel. 2. Mục tiêu của luận án -Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM: Nghiên cứu quá trình trùng hợp NIPAM, tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel PNIPAM. - Tổng hợp và nghiên cứu một số hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM: hydrogel NIPAM-co-AM, NIPAM-co-HEMA, NIPAM-co-MA và NIPAM-co-HEMA-co-AM 3. Những điểm mới của luận án Nghiên cứu tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM với AM, HEMA và AM nhằm nghiên cứu các hệ hydrogel có đặc tính nhạy nhiệt, pH khác nhau đồng thời tìm kiếm một hệ hydrogel nhạy nhiệt kép có khả năng giữ và nhả dược chất có khả năng ứng dụng. 4. Cấu trúc của luận án Luận án gồm các phần chính sau: - Đặt vẫn đề : 2 trang - Phần kết quả tháo luận: 55 trang - Phần tổng quan: 43 trang - kết luận: 2 trang - Phần thực nghiệm: 13 trang B. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƢƠNG I – TỔNG QUAN CHƢƠNG II – THỰC NGHIỆM 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị nghiên cứu - Nguyên liệu hóa chất: Các monome tinh khiết NIPAM, AM, HEMA và MA. Chất xúc tác: APS, TEMED và chất tạo lưới MBA. 1 Paracetamol tinh khiết được cung cấp bởi Phòng Hoá lý 2, Viện Kiểm nghiệm thuốc Trung ương, độ tinh khiết đạt 99,5%. - Thiết bị sử dụng: Tủ sấy chân không 101-1A (Đức) Quang phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR IMPACT Nicolet 401 Thiết bị phân tích nguyên tố Perkin Elmer Instruments Thiết bị UV- 2450 Shimadzu Hệ thiết bị phân tích nhiệt Shimadzu - Nhật Bản Kính hiển vi điện tử quét SEM FESEM Hitachi S4800 (Singapore Thiết bị đông khô chân không Christ Beta 1-8 LD plus. Thiết bị sắc ký gel thấm (GPC) Shimadzu Class-VP V6.14 SP1. Thiết bị thử nghiệm đa năng LLOYD LR5K (Anh). pH meter (Đức). 2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm - Tổng hợp các polyme, copolyme và hydrogel Các quá trình trùng hợp, đồng trùng hợp để tổng hợp polyme, copolyme và hydrogel đều được thực hiện trong ống thuỷ tinh hình trụ có được kính trong 15mm. Monome, chất khơi mào, chất tạo lưới (khâu mạch) được đưa vào ống nghiệm cùng với nước cất. Thể tích dung dịch trong ống nghiệm cố định là 25ml. Sau khi sục khí N2 trong 15 phút, ống thuỷ tinh được nút kín và hỗn hợp được đưa đến nhiệt độ phản ứng bằng cách ngâm trong bể điều nhiệt. Kết thúc phản ứng, hỗn hợp sản phẩm được tinh chế bằng phương pháp kết tủa trong dung môi tương ứng cho từng loại sản phẩm. - Xác định thành phần copolyme bằng phương pháp phân tích nguyên tố Hàm lượng đơn vị NIPAM trong các copolyme được tính theo công thức:  C% N%  N% x Copolyme NIPAM-AM: NIPAM(%mol)     x  y  3MC M N  M N Copolyme NIPAM-HEMA: %N NIPAM(%mol)  MN Copolyme NIPAM-MA: NIPAM(%mol)  %N MN %N    %N 100  M M NIPAM  N    M HEMA  MN      %N    %N 100  M M NIPAM  N    M MA  MN      Trong đó MC, MH, MN, và MO tương ứng là khối lượng mol của cacbon, hydro, nito và oxi; C%, H%, N%, và O% tương ứng là phần trăm khối lượng của cacbon, hydro, nito và oxi thu được từ kết quả phân tích nguyên tố - Hằng số đồng trùng hợp của các monome được xác định theo phương pháp Kelen-Tudos - Mức độ trương của các mẫu hydrogel được xác định bằng phương pháp trọng lượng. - Quá trình thuận nghịch nhiệt Quá trình thuận nghịch nhiệt được xác định bằng cách các mẫu gel được để trương trong nước cất ở nhiệt độ 20oC sau đó gel trương được chuyển vào nước cất ở 50oC để thực hiện quá trình nhả trương. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để đánh giá khả năng thuận nghịch nhiệt của hydrogel. 2 - Quá trình thuận nghịch pH Quá trình thuận nghịch pH được xác định bằng cách: các mẫu gel được nhả trương trong môi trường có giá trị pH = 7 sau đó gel trương được chuyển vào môi trương có giá trị pH = 4 để thực hiện quá trình trương. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để đánh giá khả năng thuận nghịch pH của hydrogel. - Xác định khả năng kích ứng da của hydrogel Khả năng kích ứng da của hydrogel được xác định theo tiêu chuẩn ISO 10993-10 thực hiện tại Viện kiểm nghiệm thuốc trung ương. - Xác định giá trị LCST Giá trị LCST các polyme, copolyme và của hydrogel được xác định bằng phương pháp đo độ đục và nhiệt vi sai quét (DSC): Độ đục của dung dịch các polyme, copolyme được xác định trên thiết bị UV – 2450 được gia nhiệt từ 20oC – 50oC với tốc độ ra nhiệt 0,1oC/phút, nhiệt độ LCST được xác định khi độ truyền qua mẫu giảm xuống 10% so với mẫu so sánh. Nhiệt độ LCST của các hydrogel sau khi đã đạt trạng thái trương cân bằng trong nước được xác định thông qua pic thu nhiệt trên giản đồ DSC khi gia nhiệt từ 25 – 55oC với tốc độ gia nhiệt là 0,5oC/phút. - Chuẩn bị mẫu hydrogel mang thuốc paracetamol Chuẩn bị dung dịch paracetamol bão hoà 5,012g/l. Dùng pipet lấy chính xác 10ml dung dịch bão hoà trên vào cốc thuỷ tinh 25ml, đưa vào cốc mẫu hydrogel khô, gel được trương bão hoà trong 4 giờ ở 20oC. Dung dịch còn lại sau khi lấy mẫu hydrogel ra được định mức lại đến 10ml và đo UV-Vis nhằm xác định lượng thuốc còn lại trong dung dịch từ đó tính được hàm lượng thuốc được mang trong mẫu hydrogel. - Xác định hàm lượng paracetamol Lượng paracetamol được xác định bằng phương pháp hấp thụ UV qua việc xây dựng đường chuẩn tại bước sóng λ = 500nm. - Khối lượng phân tử trung bình và độ đa phân tán của polyme được xác đinh bằng phương pháp sắc ký thẩm thấu gel - Độ bền cơ học của hydrogel xác định theo tiêu chuẩn ASTM D638. - Độ chuyển hóa được xác định bằng phương pháp chuẩn độ nối đôi 2.3. Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-HEMA) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-MA) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel terpolyme (NIPAM-HEMA-AM) - Nghiên cứu quá trình mang và nhả thuốc của hydrogel CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM 3.1.1. Nghiên cứu quá trình trùng hợp NIPAM - Ảnh hưởng của hệ khơi mào tới quá trình trùng hợp NIPAM Trong nghiên cứu này, phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ 60oC trong sự có mặt của chất khơi mào APS và ở 200C trong sự có mặt của hệ khơi mào oxi hóa khử APS/TEMED (tỷ lệ 1 :1) Kết quả được trình bày trong bảng 3.1. Thời gian kết thúc Độ chuyển KLPT Hệ xúc tác PDI2 1 phản ứng (phút) hóa (g/mol) APS 150 93,6 14,5x103 1,84 3 APS/TEMED 240 96,5 15,6x10 1,36 1 Thời gian kết thúc phản ứng được tính khi độ chuyển hóa không thay đổi 3 2 Chỉ số đa phân tán của khối lượng phân tử của polyme APS là chất khơi mào nhiệt, để có thể khơi mào phản ứng trùng hợp, cần phải tiến hành phản ứng ở nhiệt độ tối thiểu là khoảng 60oC để phân huỷ APS tạo gốc tự do dẫn tới tốc độ chuyển hóa trong suốt quá trình diễn ra phản ứng đều cao hơn so với sử dụng hệ xúc tác oxi hóa khử, trong khi đó đối với hệ khơi mào oxy hoá khử APS-TEMED, TEMED là chất xúc tiến giúp thực hiện phản ứng ở nhiệt độ rất thấp (thậm chí ở nhiệt độ <00C) do vậy phản ứng sẽ diễn ra trong điều kiện êm dịu hơn, sản phẩm thu được có KLPT trung bình lớn, các đoạn mạch phân tử polyme có khối lượng phân tử đồng đều, tập trung hơn so với sử dụng xúc tác khơi mào bằng nhiệt (APS) - Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp NIPAM Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 5 đến 300C, thì thời gian kết thúc phản ứng giảm dần, ngược lại chỉ số PDI lại tăng dần. Bên cạnh đó KLPT của sản phẩm tăng dần trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 20oC sau đó giảm dần khi tiếp tục tăng nhiệt độ, điều này được giải thích là do khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ phản ứng, bên cạnh đó cũng làm tăng tốc độ phản ứng ngắt mạch và chuyển mạch. - Ảnh hưởng của nồng độ monome đến quá trình trùng hợp NIPAM Trong nghiên cứu này, phản ứng được tiến hành ở các nồng độ NIPAM khác nhau thay đổi từ 0,5 M - 0,9 M. Kết quả thu được ở bảng 3.2. Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ monome đến quá trình tổng hợp PNIPAM Nồng độ KLPT Độ chuyển hóa (%) PDI NIPA (g/mol) 0,5 92 15,0. 103 1,20 3 0,6 94,5 15,3. 10 1,31 0,7 97,5 15,6.103 1,36 3 0,8 97,8 15,7. 10 1,75 0,9 96,7 14,9. 103 1,96 Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng monome NIPAM từ 0,5 M – 0,8 M thì độ chuyển hóa cũng như KLPT, PDI tăng. Hiện tượng này được giải thích là do hàm lượng monome tăng sẽ làm tăng tốc độ của quá trình phản ứng chung cũng như từng quá trình riêng biệt (phát triển và ngắt mạch) dẫn tới độ chuyển hóa tăng, sản phẩm có KLPT trung bình tăng tuy nhiên sản phẩm lại chứa nhiều đoạn mạch có khối lượng khác nhau (thông qua việc tăng chỉ số PDI). Khi tiếp tục tăng nồng độ monome lên 0,9 M thì dẫn tới độ chuyển hóa cũng như KLPT trung bình đều giảm. Hiện tượng này là do phản ứng ngắt mạch chiếm ưu thế (kết quả còn thể hiện qua chỉ số PDI lớn chứng tỏ sản phẩm thu được có rất nhiều các đoạn mạch phân tử có khối lượng rất khác nhau). - Ảnh hưởng của nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST Xác định nhiệt độ LCST dung dịch polume với các nồng độ: 0,1 M, 0,3 M, 0,5 M, 0,7 M và 0,9 M trên cơ sở xác định điểm đục của các dung dịch polyme, kết quả đưa ra ở bảng 3.2. Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST [PNIPAM](mol/l) 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 o Nhiệt độ LCST ( C) 33 32,7 32,5 32,3 32 Kết quả nhận được cho thấy khi tăng nồng độ dung dịch polyme sẽ làm giảm nhiệt độ LCST. Điều này được lý giải là do các tương tác kỵ nước diễn ra nhanh hơn khi nồng độ dung dịch tăng. - Phổ hồng ngoại của PNIPAM Phổ hồng ngoại của monome NIPAM và sản phẩm PNIPAM được trình bày trên hình 3.1. 4 Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của NIPAM(a) và PNIPAM (b) PNIPAM được tổng hợp ở điều kiện: [NIPAM]= 0,7M; [M]/[I]= 70; [TEMED]/[APS] = 1; nhiệt độ 20oC, thời gian phản ứng 240 phút Quan sát thấy rằng trên phổ hồng ngoại của NIPAM xuất hiện các pic ở vị trí 3300-3284cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của NH bậc 2, pic ở vị trí 1658cm-1 đặc trưng cho dao động của C=O, pic 1622cm-1 đặc trưng cho dao động của C=C và pic ở vị trí 1560cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của NH bậc 2. Phổ IR của sản phẩm không còn xuất hiện pic đặc trưng cho liên kết C=C, ngoài ra thấy xuất hiện pic ở vị trí 3310cm-1 đặc trưng cho dao động liên kết của nhóm amit, pic ở vị trí 2968cm-1 và 2929cm-1 đặc trưng cho dao động bất đối xứng của CH3 và CH2, pic 2874cm-1 đặc trưng cho dao động đối xứng của CH3. Ngoài ra còn xuất hiện 2 pic đặc trưng cho dao động của nhóm isopropyl ở 1368 và 1387cm-1. Điều này chứng tỏ phản ứng trùng hợp đã xảy ra. 3.1.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel NIPAM - Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất của hydrogel NIPAM Phản ứng tổng hợp hydrogel NIPAM được thực hiện với nồng độ chất tạo lưới MBA lần lượt là 0,6; 0,9; 1,2 và 1,5% về số mol khi so với monome. Kết quả được trình bày trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất của hydrogel NIPAM Nồng độ MBA LCST* SW Hàm lƣợng phần gel (%) (%) (oC) (g/g) 0,6 97,3 32 17,82 0,9 98,9 32,3 14,1 1,2 >99,5 32,2 13,5 1,5 >99,5 33,2 10,28 * Giá trị LCST của hydrogel được xác định bằng phương pháp DSC Các kết quả cho thấy sự có mặt của chất tạo lưới làm tăng hàm lượng phần gel trong polyme do chất tạo lưới MBA là một monome lưỡng chức (2 nhóm vinyl ở đầu mạch) có tác đụng khâu các mạch polyme PNIPAM tạo cấu trúc mạng lưới 3 chiều. Tăng hàm lượng chất tạo lưới làm tăng khả năng khâu mạch, khiến cho hàm lượng phần gel tăng. Khi nồng độ MBA đạt 1,2%, polyme được khâu mạch gần như hoàn toàn, với hàm lượng phần gel >99,5%. Tuy nhiên, tăng nồng độ MBA cũng làm tăng mật độ tạo lưới cũng như mức độ chặt chẽ của mạng lưới, làm giảm không gian bên trong gel, hạn chế khả năng mở rộng mạng lưới dẫn đến mức độ trương giảm. Việc tăng hàm lượng chất tạo lưới cũng ít có ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha (LCST) của hydrogel. Các kết quả xác định LCST của hydrogel NIPAM không có sự chênh lệch nhiều với kết quả xác định LCST của polyme PNIPAM. Quá trình trương và nhả trương của các mẫu hydrogel NIPAM có nồng độ chất tạo lưới lần lượt là 0,6%; 0,9%; 1,2%; 1,5% được biểu diễn trên hình 3.2 và 3.3. 5 Mức độ trương (g/g) 18 MBA 0,6% 16 MBA 0,9% 14 MBA 1,2% 12 MBA 1,5% 10 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian (phút) Hình 3.2. Quá trình trương của hydrogel NIPAM có nồng độ chất tạo lưới khác nhau ở 200C Khả năng nhả trương (%) 100 80 MBA 0,6% MBA 0,9% MBA 1,2% MBA 1,5% 60 40 20 0 0 90 180 270 360 450 Thời gian (phút) Hình 3.3. Quá trình nhả trương của hydrogel NIPAM có nồng độ MBA khác nhau ở 50oC Mặc dù khi nồng độ MBA tăng dần từ 0,6% đến 1,5% thì khả năng trương của hydrogel giảm dần nhưng hình dạng đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian và tỉ lệ trương không có sự khác biệt giữa các mẫu có hàm lượng MBA khác nhau. Trong 120 phút đầu tiên thì các hydrogel đã nhả hết 63-70% khối lượng nước hấp thụ có trong nó, với các hydrogel có nồng độ MBA cao thì khả năng nhả trương cũng giống như khả năng trương nở của chúng kém hơn các hydrogel có hàm lượng MBA thấp. Bảng 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng MBA đến độ bền cơ lý của hydrogel Hàm lƣợng MBA (% mol) so với Lực kéo đứt Độ dãn dài khi đứt monome (N) (%) 0,6 0,15 38,6 1,2 0,30 29,5 0,9 0,24 31,2 1,5 0,41 22,1 Kết quả độ bền cơ lý của các mẫu hydrogel với các hàm lượng MBA khác nhau cho thấy khi tăng hàm lượng chất tạo lưới thì sẽ làm tăng lực kéo đứt của vật liệu tuy nhiên độ dãn dài khi đứt là chỉ số liên quan đến tính đàn hồi thì lại giảm. Hiện tượng này là do mật độ tạo lưới giữa các phân tử polyme tăng làm tăng cấu trúc không gian của hydrogel tuy nhiên lại làm giảm khả năng chuyển động của các đại phân tử. - Ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly đến khả năng trương của hydrogel NIPAM Mẫu hydrogel được tổng hợp được khảo sát trương trong dung dịch NaCl có nồng độ tương ứng là: 0,1M; 0,07M; 0,04M và trong nước cất. Kết quả được biểu diễn trên hình 3.4. Mức độ trương (g/g) 15 12 Nước cất 9 NaCl 0,04M NaCl 0,07M 6 NaCl 0,1M 3 0 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian (phút) Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaCl đến mức độ trương 6 Khi hydrogel trương xảy ra quá trình tương tác giữa phần mạch của hydrogel ưa nước và các phân tử nước hay chính là quá trình sonvat hoá mạch polyme. Khi trong dung dịch có thêm một lượng xác định NaCl là chất điện li mạnh, NaCl phân li tạo thành ion Na+ và ion Cl-, hai ion này cũng tương tác với nước trong quá trình sonvat hóa, như vậy khi hydrogel trương nở trong môi trường dung dịch NaCl thì ngoài tương tác giữa NaCl là mạch hydrogel còn có quá trình sonvat hóa của các ion và của cả mạch polyme. - Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel NIPAM Đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel NIPAM thực hiện ở nhiệt độ 20oC và 50oC được biểu diễn trên hình 3.5. Mức độ trương (g/g) 14 PNIPAM 13 12 11 10 0 5 10 15 20 25 30 35 Thời gian (giờ) Hình 3.5. Tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel theo thời gian khi thay đổi đột ngột nhiệt độ ở 20oC và 50oC Kết quả cho thấy hydrogel NIPAM có thể trương và nhả trương khi nhiệt độ được tuần hoàn theo chu kỳ trong khoảng nhiệt độ cao (500C) và nhiệt độ thấp (250C). Quan sát hình dạng đường cong thấy rằng hydrogel này có mức độ trương thay đổi thuận nghịch rất rõ trong khoảng 20 oC và 500C và kéo dài khoảng 2,5 chu kỳ trước khi bắt đầu có sự suy giảm mức độ trương. - Hình thái học bề mặt Mẫu hydrogel ở trạng thái trương (20oC) và trạng thái tách pha (37oC) cũng được tiến hành chụp ảnh bề mặt được trình bày ở hình 3.6. Hydrogel tại 20oC Hydrogel tại 37oC Hình 3.6. Ảnh SEM bề mặt hydrogel ở 200C và 37oC Ảnh chụp cho thấy hydrogel tại 37oC trải qua quá trình tách pha và co lại tạo thành cấu trúc đặc khít, các khung mạng lưới hoàn toàn biến mất. Để phân tích tính chất mao quản , mẫu hydrogel được tiến hành chụp ảnh SEM theo mặt cắt ngang được thể hiện ở hình 3.7. 7 Hình 3.7. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu hydrogel được tổng hợp ở 200C, hàm lượng MBA chiếm 1,2% Quan sát ảnh SEM thấy rằng gel có cấu trúc kênh, mao quản hở, bởi vậy gel có tốc độ ứng đáp trương/nhả trương nhanh. * Tóm tắt kết quả mục 3.1: - Hệ khơi mào APS-TEMED (1:1) có thể thực hiện phản ứng trùng hợp NIPAM ở nhiệt độ thích hợp được sử dụng để tổng hợp polyme nhạy nhiệt là 20oC, thời gian phản ứng là 240 phút, nồng độ monome là 0,7M. - Chất tạo lưới không ảnh hưởng đến nhiệt độ LCST của hydrogel và hydrogel được tiến hành chế tạo với hàm lượng chất tạo lưới phù hợp là 1,2% so với monome, nồng độ monome là 0,7M, thời gian phản ứng là 240 phút, nhiệt độ 20oC. - Mức độ trương của hydrogel NIPAM giảm trong dung dịch NaCl. - Hydrogel có tính thuận nghịch nhiệt rõ rệt trong khoảng nhiệt độ 20 0C và 500C với khoảng thuận nghịch nhiệt tương đối lớn và kéo dài trong khoảng 2,5 chu kỳ trước khi có sự thay đổi. - Hydrogel có cấu trúc kênh, mao quản hở. 3.2. Tổng hợp một số hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM 3.2.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM) - Quá trình đồng trùng hợp NIPAM và AM Dựa vào dữ liệu kết quả phân tích thành phần copolyme thu được với việc sử dụng phương pháp Kelen-Tudos để xác định hằng số đồng trùng hợp r1, r2 tương ứng của NIPAM và AM. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η vào ξ trong phương trình Kelen-Tudos được biểu diễn trên hình 3.8. 0.4 0.2 0 η -0.2 y = 1.0802x - 0.6486 R2 = 0.9813 -0.4 -0.6 -0.8 0 0.2 0.4 ξ 0.6 0.8 1 Hình 3.8. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η theo ξ của hệ NIPAM-AM Ngoại suy từ phương trình K-T ta được: với  = 0  rAM = 1,02 với  = 1  rNIPAM = 0,43 Kết quả thu được cho thấy các monome AM có khả năng phản ứng với nhau lớn hơn là với monome NIPAM, trong khi đó các monome NIPAM lại có xu hướng kết hợp với monome AM nhiều hơn là kết hợp với nhau dẫn tới tính luân phiên trong mạch đại phân tử có tính đồng nhất không cao (rAM. rNIPAM ≈0,44). 8 - Phổ hồng ngoại và DSC Phổ hồng ngoại của copolyme (NIPAM-AM) được trình bày trên hình 3.9. Hình 3.9. Phổ IR của copolyme (NIPAM/AM = 90/10) Quan sát thấy rằng trên phổ IR của sản phẩm xuất hiện pic ở vị trí 3434cm-1 chân rộng là do sự cộng hưởng của amit 1 và 2; pic ở vị trí 3090cm-1 là dao động hoá trị của liên kết C-N; pic 1652cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C=O; pic 1545cm-1 là dao động của N-H và C-N. Ngoài ra các pic 1368 và 1389cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm isopropyl, dao động con lắc của N-H xuất hiện ở 638cm-1. Sự có mặt của nhóm amit trong polyacrylamit được khẳng định thông qua sự xuất hiện pic tại 1424cm-1. Điều này khẳng định sản phẩm copolyme đã được hình thành. Hình 3.10. Giản đồ DSC của PNIPAM, PAM và copolyme (NIPAM/AM=90/10) Ngoài ra với việc sử dụng giản đồ DSC để xác định nhiệt độ thủy tinh hóa của sản phẩm (Tg) cho thấy xuất hiện duy nhất một píc xuất hiện ở nhiệt độ là 128,04oC. Nằm giữa khoảng nhiệt độ chuyển pha của PNIPAM (115,03oC) và PAM (165,21oC) điều đó chứng tỏ tồn tại một sản phẩm duy nhất là copolyme (NIPAM-AM). - Ảnh hưởng của hàm lượng AM nhiệt độ LCST của copolyme (NIPAM-AM) Nhiệt độ LCST của PNIPAM thuần là khoảng 32,30C. Khi giảm hàm lượng NIPAM, LCST của copolyme tăng. Tuy nhiên khi tỷ lệ mol NIPAM/AM đạt đến 25/75 copolyme không có nhiệt độ LCST, do đó không phát hiện được điểm đục. Hiện tượng này phù hợp với quan sát của một số tác giả, thấy rằng AM là một monome ưa nước nhưng homopolyme của nó lại không có nhiệt độ chuyển thể tích pha trong nước. Điều này giải thích tại sao khi tăng hàm lượng AM đến một tỷ lệ nhất định so với NIPAM thì hệ không thể hiện tính chất LCST. - Ảnh hưởng của hàm lượng AM đến tính chất trương của copolyme (NIPAM-AM) 20 18 NIPAM/AM 85/15 Mức độ trương (g/g) 16 NIPAM/AM 90/10 NIPAM/AM 95/5 14 NIPAM/AM 100/0 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 Nhiệt độ (độ C) Hình 3.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ AM đến đặc tính trương của hydrogel (NIPAM-AM) trong nước cất tại các nhiệt độ khác nhau 9 Kết quả từ việc khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng AM đến đặc tính trương của hydrogel (NIPAM-co-AM) tại các nhiệt độ khác nhau cho thấy rõ khi tăng hàm lượng AM thì độ trương của hydrogel thu được tăng lên nhưng độ dốc của đồ thị đường trạng thái trương thì lại giảm đi do AM là một polyme ưa nước điển hình nên việc có mặt trong thành phần copolyme sẽ làm tăng độ trương nhưng lại làm giảm tính nhạy nhiệt của hydrogel. Chính vì vậy, khi tổng hợp hydrogel (NIPAM-co-AM), tỷ lệ mol AM được lựa chọn thường <50%. - Ảnh hưởng của hàm lượng AM tới quá trình trương và nhả trương của hydrogel (NIPAMco-AM) Quá trình trương của hydrogel (NIPAM-co-AM) với hàm lượng AM khác nhau được biểu diễn trên hình 3.12. 18 16 Mức độ trương (g/g) 14 12 NIPAM/AM 85/15 10 NIPAM/AM 90/10 8 NIPAM/AM 95/5 NIPAM/AM 100/0 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian (phút) Hình 3.12. Quá trình trương của hydrogel (NIPAM-co-AM) trong nước cất với hàm lượng AM khác nhau tại 20oC Ngoài ra, kết quả cho thấy rằng tốc độ trương ban đầu giảm khi tăng hàm lượng AM từ 5 đến 15%, tuy nhiên mức độ trương tại thời điểm cân bằng lại tăng lên. Hiện tượng này được giải thích là do sự có mặt của AM làm cho cấu trúc của hydrogel trở lên cứng nhắc, ngăn cản sự khuếch tán ban đầu của các phân tử nước vào mạng cấu trúc để tiếp xúc với các nhóm ưa nước làm giảm tốc độ trương ban đầu của hydrogel. Mức độ trương cân bằng của hydrogel tăng theo sự có mặt của nhóm amit (-CONH2) trong phân tử AM có ái lực lớn với phân tử nước Khả năng nhả trương (%) 100 90 NIPAM/AM 85/15 80 NIPAM/AM 90/10 NIPAM/AM 95/5 NIPAM/AM 100/0 70 60 50 40 30 20 0 90 180 270 360 450 Thời gian (phút) Hình 3.13. Quá trình nhả trương của hydrogel (NIPAM-co-AM) trong nước cất với hàm lượng AM khác nhau tại 50oC Hình 3.13 mô tả quá trình nhả trương của các hydrogel cho thấy khi tăng hàm lượng AM thì tốc độ nhả trương giảm hiện tượng này cũng được giải thích tương tự như trên là do sự có mặt của AM làm giảm khả năng đàn hồi của cấu trúc hydrogel dẫn đến giảm tốc độ co ngót (độ nhả trương). - Ảnh hưởng của hàm lượng AM tới mức độ trương của các hydrogel (NIPAM-co-AM) tại các pH khác nhau Kết quả cho thấy giá trị trương cân bằng của các hydrogel giảm dần từ pH thấp đến pH=4 và đạt trạng thái trương ổn định trong khoảng pH = 4-8 sau đó bắt đầu tăng lên khi pH > 8 điều này được lý giải là do tại pH thấp các nhóm amino bị proton hóa mang điện tích dương (NH2 + H+ = NH3+) làm tăng lực đẩy tĩnh điện trong mạng lưới hydrogel dẫn tới độ trương tăng, còn khi pH > 8 10 thì các nhóm amit bị thủy phân thành nhóm cacboxylat (CONH2 → COO-) cũng có vai trò tương tự. Trong khoảng pH = 4-8 các nhóm amit không chịu tác động ít của sự thủy phân nên mức độ trương cân bằng ổn định. Tuy nhiên nhìn chung thì độ nhạy pH của các hydrogel (NIPAM-co-AM) là không rõ rệt. - Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt Đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-AM) được thể hiện ở 20oC và 50oC được biểu diễn trên hình 3.14. 18 Mức độ trương (g/g) 16 14 NIPAM-AM 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Thời gian (giờ) Hình 3.14. Mức độ trương của copolyme (NIPAM-AM) Kết quả cho thấy hydrogel (NIPAM-AM) có thể trương và nhả trương khi nhiệt độ được tuần hoàn theo chu kỳ trong khoảng nhiệt độ cao (50oC) và nhiệt độ thấp (20oC), thể hiện tính nhạy nhiệt rõ rệt, tuy nhiên thời gian để hydrogel ở mức độ trương cực đại chuyển xuống cực tiểu lớn hơn PNIPAM. 3.2.1.8. Hình thái học bề mặt và độ bền cơ học của hydrogel (NIPAM-co-AM) Ảnh SEM của các mẫu hydrogel với tỷ lệ mol NIPAM/AM khác nhau được trình bày trên hình 3.15. NIPAM/AM 90/10 NIPAM/AM 80/20 NIPAM/AM 70/30 NIPAM/AM 60/40 Hình 3.15. Ảnh SEM bề mặt của các mẫu hydrogel với tỷ lệ mol NIPAM/AM khác nhau Quan sát thấy rằng hàm lượng tăng hàm lượng của AM trong hydrogel thì bề mặt càng suất hiện nhiều vùng có cấu trúc gồ ghề, thể hiện tính cứng của vật liệu tăng lên so với khi không có AM. 11 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng AM đến độ bền cơ lý của hydrogel Hàm lƣợng AM (% mol) so với Lực kéo đứt Độ dãn dài khi đứt NIPAM (N) (%) 0 0,30 29,5 10 0,72 20,1 20 0,95 18,3 30 1,23 17 40 1,89 14,6 Kết quả về tính chất cơ lý của hydrogel khẳng định rõ hơn về ảnh hưởng của hàm lượng AM đến tính chất cơ học của hydrogel. * Tóm tắt kết quả tiểu mục 3.2.1: - Các hằng số đồng trùng hợp của NIPAM và AM thu được bằng phương pháp Kelen- Tudos là rAM = 1,02, rNIPAM = 0,43 - Tăng tỷ lệ mol AM làm tăng LCST của copolyme (NIPAM-MA). Hệ P(NIPAM-co-AM) mất tính nhạy nhiệt khi NIPAM/AM đạt tỷ lệ 25/75. - Tăng hàm lượng AM sẽ làm tăng độ trương của hydrogel. - Hydrogel (NIPAM-co-AM) có thay đổi mức độ trương theo pH tuy nhiên là không đáng kể. - Khoảng thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-AM) lớn hơn so với hydrogel (NIPAM). - Việc đưa thêm AM vào thành phần hydrogel làm tăng lực kéo đứt nhưng lại làm giảm độ dãn dài khi đứt. 3.2.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-HEMA) PHEMA là một vật liệu có khả năng tương hợp sinh học tuyệt vời cũng như các tính chất lý hoá tương tự như các tế bào sống. Nó cũng có độ bền hoá học tốt và không bị thuỷ phân, khả năng dung hoà tốt đối với các tế bào được cố định. Nhằm làm tăng khả năng tương hợp sinh học cho các hydrogel nhạy nhiệt, hydrogel (NIPAM-co-HEMA) được tổng hợp và khảo sát tính chất. - Động học quá trình đồng trùng hợp NIPAM và HEMA Tỷ lệ thành phần của các hỗn hợp monome cũng như thành phần của copolyme sản phẩm được tổng kết trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Thành phần của NIPAM và HEMA trong hỗn hợp đầu vào và trong copolyme Thành phần nguyên tố trong copolyme (%) Tỷ lệ mol Tính toán lý thuyết theo tỷ Kết quả NIPAM/HEMA Mẫu lệ nạp vào Phân tích nguyên tố Ban đầu Copolyme* C H N C H N M1 30/70 33,3/66,7 57,7 8,2 3,4 57,9 8,3 3,8 M2 40/60 36,8/63,2 58,5 8,4 4,6 58,2 8,4 4,2 M3 50/50 43,4/56,6 59,3 8,6 5,8 58,7 8,5 5,0 M4 60/40 44,4/55,6 60,1 8,8 7,0 58,8 8,5 5,1 M5 70/30 47,4/52,6 61,0 9,1 8,3 59,0 8,6 5,4 (Nhiệt độ tổng hợp tại 200C, [NIPAM +HEMA]=0,7M; tỷ lệ [M]/[I] = 70; tỷ lệ TEMED]/[APS] = 1, độ chuyển hóa <10%) Dựa vào dữ liệu kết quả phân tích thành phần copolyme thu được trong bảng 3.5 với việc sử dụng phương pháp Kelen-Tudos để xác định hằng số đồng trùng hợp r1, r2 tương ứng của NIPAM và HEMA. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η vào ξ được biểu diễn trên hình 3.16. 12 0 -0.05 -0.1 η -0.15 y = 0.3413x - 0.3019 R2 = 0.9404 -0.2 -0.25 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 ξ Hình 3.16. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η theo ξ của hệ NIPAM-co-HEMA Ngoại suy từ kết quả phương trình K-T ta được: với  = 0  rHEMA = 0,45 với  = 1  rNIPAM = 0,04 Các hằng số đồng trùng hợp cho thấy các phân tử HEMA và NIPAM có xu hướng kết hợp với nhau nhiều hơn là tự kết hợp với nhau, sản phẩm có chứa nhiều HEMA hơn và có độ luân phiên tốt (rHEMA . rNIPAM = 0,018) - Phổ hồng ngoại chứng minh sự tồn tại của sản phẩm Trên phổ hồng ngoại của sản phẩm thấy xuất hiện pic ở vị trí 3300cm -1 là cộng hưởng của nhóm amit và –OH (vai phổ rộng hơn); pic 3100cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của C-N; pic 1730cm-1 đặc trưng cho nhóm C=O của este trong copolyme; pic trong vùng 1640-1560cm-1 đặc trưng cho nhóm C=O của amit và pic 1420, 1290cm-1 đặc trưng cho nhóm isopropyl, ngoài ra còn có pic 1040cm-1 đặc trưng cho dao động kéo của C-O trong este. So sánh phổ IR của các monome và của sản phẩm thấy rằng phản ứng đồng trùng hợp đã xảy ra Hình 3.17. Phổ IR của copolyme (NIPAM/HEMA = 90/10) Ngoài ra với việc sử dụng giản đồ DSC để xác định nhiệt độ thủy tinh hóa của sản phẩm (Tg) cho thấy xuất hiện duy nhất một píc xuất hiện ở nhiệt độ là 103,26 chứng tỏ sản phẩm chỉ chứa copolyme (NIPAM-HEMA). - Ảnh hưởng của hàm lượng HEMA đến nhiệt độ LCST của copolyme (NIPAM-HEMA) Nhiệt độ LCST của copolyme tăng dần khi tăng hàm lượng HEMA. Điều này được giải thích do khi tăng hàm lượng HEMA sẽ làm tăng sự có mặt của các nhóm ưa nước trong copolyme dẫn tới làm tăng nhiệt độ LCST và khi đạt tới tỷ lệ NIPAM/HEMA là 20/80 thì nhiệt độ LCST copolyme biến mất. - Quá trình trương/nhả trương của các copolyme (NIPAM-HEMA) Quá trình trương/nhả trương của các mẫu hydrogel ở 20 oC và 50oC được biểu diễn trên hình 3.18 và hình 3.19. 13 Mức độ trương (g/g) 16 12 NIPAM/HEMA 100/0 8 NIPAM/HEMA 90/10 NIPAM/HEMA 80/20 NIPAM/HEMA 75/25 4 0 0 100 200 300 400 500 600 Thời gian (phút) Hình 3.18. Quá trình trương của copolyme (NIPAM-HEMA) ở 20oC 100 Khả năng nhả trương (%) 80 NIPAM/HEMA 100/0 NIPAM/HEMA 90/10 NIPAM/HEMA 80/20 60 NIPAM/HEMA 75/25 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Thời gian (phút) Hình 3.19. Quá trình nhả trương của copolyme (NIPAM-HEMA) ở 50oC Rõ ràng là mức độ trương tăng khi tăng hàm lượng HEMA tuy nhiên mặc dù mức độ tăng (do HEMA có chứa nhóm OH và nhóm este trong phân tử có tính ưa nước không cao) là không nhiều nhưng tốc độ trương thì lại cao hơn so với giải thích do HEMA là một este có chứa nhóm – OH đóng vai trò như chất hóa dẻo làm cho các đoạn mạch phân tử trong hydrogel trở lên linh động hơn tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán của nước vào mạng lưới cấu trúc cũng như đi ra ngoài rễ dàng hơn. - Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt và ảnh SEM của copolyme (NIPAM-HEMA) Đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-HEMA) thực hiện ở 20 và 50oC được biểu diễn trên hình 3.20. 18 Mức độ trương (g/g) 15 NIPAM-HEMA 12 9 6 3 0 0 5 10 15 Thời gian (giờ) 20 25 30 35 Hình 3.20. Mức độ trương của copolyme (NIPAM-HEMA) theo thời gian khi thay đổi đột ngột nhiệt độ ở 20 và 50oC (tỷ lệ mol NIPAM/HEMA 90/10) Kết quả cho thấy hydrogel (NIPAM-co-HEMA) cũng có hiệu ứng nhạy nhiệt rõ rệt , có thể trương và nhả trương khi nhiệt độ được tuần hoàn theo chu kỳ trong khoảng nhiệt độ (50oC) và (20oC) tuy nhiên khoảng cách giữa các chu kỳ ngắn hơn so với hydrogel NIPAM và hydrogel (NIPAM-co-HEMA), thể hiện khả năng đáp ứng nhiệt tốt hơn. Ngoài ra độ lập lại của các chu kỳ của hydrogel có chứa HEMA kéo dài hơn dẫn tới tính ổn định của chúng tốt hơn so với các hydrogel NIPAM và P(NIPAM-co-HEMA). 14 Hình 3.21. Ảnh SEM bề mặt cắt ngang của hydrogel: A- hydrogel NIPAM, B- hydrogel (NIPAMco-HEMA): 90/10 Ảnh SEM cho thấy sự khác nhau giữa bề mặt cắt ngang của hydrogel cho thấy sự xuất hiện của HEMA làm cho bề mặt của hydrogel trở nên đồng nhất hơn, nguyên nhân do HEMA đóng vai trò chất hóa dẻo trong cấu trúc hydrogel. - Tính chất cơ lý của các mẫu hydrogel Các giá trị lực kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của các mẫu hydrogel có chứa HEMA đều cao hơn so với gel PNIPAM. Các kết quả này là do việc đưa HEMA vào gel trên cơ sở PNIPAM khiến cho gel copolyme nhạy nhiệt có độ bền cơ lý (lực kéo đứt) và tính đàn hồi (độ dãn dài khi đứt) cao hơn. * Tóm tắt kết quả tiểu mục 3.2.2: - Các hằng số đồng trùng hợp của NIPAM và HEMA thu được bằng phương pháp Kelen- Tudos là rHEMA = 0,45 rNIPAM = 0,04. - Tăng hàm lượng HEMA, mức độ trương và nhiệt độ LCST của hydrogel tăng. - Đưa HEMA vào thành phần hydrogel làm tăng độ bền cơ lý (lực kéo đứt và độ dãn dài khi đứt) của hydrogel. - Chu kỳ thuận nghịch nhiệt của hydrogel lớn hơn so với hydrogel(NIPAM) và hydrogel (NIPAM-co-AM). 3.2.3. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-MA) - Động học quá trình đồng trùng hợp NIPAM và MA Dựa vào dữ liệu kết quả phân tích thành phần copolyme và sử dụng phương pháp KelenTudos để xác định hằng số đồng trùng hợp r1, r2 tương ứng của NIPAM và MA. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η vào ξ được biểu diễn trên hình 3.22. 0.6 0.4 0.2 η y = 0.7047x - 0.251 R2 = 0.9956 0.0 -0.2 -0.4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ξ Hình 3.22. Đường biểu diễn sự phụ thuộc η theo ξ của hệ NIPAM-co-MA Ngoại suy từ kết quả phương trình K-T ta được: với  = 0  rMA = 0,08 với  = 1  rNIPAM = 0.45 15 Từ các kết quả hệ số đồng trùng hợp cho thấy các monome MA và NIPAM có xu hướng kết hợp với nhau hình thành các copolyme hơn là tự kết hợp với nhau để hình thành các homopolyme. Ngoài ra, sản phẩm thu được có độ luân phiên tốt (rMA. rNIPAM = 0,036) và chứa nhiều NIPAM hơn. - Ảnh hưởng của hàm lượng MA đến nhiệt độ LCST của hydrogel (NIPAM-co-MA) Việc đưa MA có chứa các nhóm có khả năng ion hoá làm tăng tính nhạy nhiệt của sản phẩm. Trong trường hợp này, copolyme (NIPAM-MA) thu được có độ tan cao hơn, được phản ánh bởi sự chuyển dịch LCST từ 32,30C đối với dung dịch PNIPAM lên 62,80C đối với hydrogel copolyme có tỷ lệ mol MA 45%. Điều này là do các phân tử MA có tính chất ưa nước cao nên làm tăng mật độ các phân tử nước xung quanh các chuỗi polyme, do đó phá vỡ liên kết hydro giữa các nhóm ưa nước của polyme và các phân tử nước xung quanh thì phải tăng nhiệt độ, một hiện tượng được điều khiển bởi sự tăng entropy do giải phóng các phân tử nước hydrat. Ngoài ra, điểm LCST của hydrogel khi có sự tham gia của MA trong thành phần cũng phụ thuộc khá nhiều vào pH điều này được giải thích do MA là axit hữu cơ có 2 mức phân ly pKa 1 = 1,85 và pKa2 = 6,06, tại pH thấp nhóm cacboxylic bị phân ly không đáng kể chủ yếu là hình thành NH3+ (nhóm NH2 của NIPAM bị proton hóa) nên khả năng tương tác với các phân tử nước là không lớn bằng tại pH cao tại đó ngoài việc hình thành các nhóm COO- có ái lực với nước lớn còn thuận lợi cho việc hình thành liên kết hydro nội phân tử (NH…O) dẫn đến LCST tăng dần theo pH, hiện tượng này không xảy ra đối với poly (NIPAM), copolyme (NIPAM-AM) và copolyme (NIPAMHEMA) điều, chứng tỏ đây là một polyme có tính nhạy nhiệt kép (nhiệt độ, pH). - Quá trình trương/nhả trương của hydrogel (NIPAM-co-MA) Đường cong quá trình trương và nhả trương của các mẫu hydrogel có hàm lượng MA thay đổi thể hiện ở hình 3.23 và hình 3.23. 35 Mức độ trương (g/g) 30 25 NIPAM/MA 100/0 20 NIPAM/MA 95/5 15 NIPAM/MA 85/15 NIPAM/MA 75/25 10 5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Thời gian (phút) Hình 3.22 . Quá trình trương của hydrogel (NIPAM-co-MA) với các tỷ lệ MA khác nhau trong nước cất tại 20oC 100 Khả năng nhả trương (%) 80 NIPAM/MA 100/0 NIPAM/MA 95/5 60 NIPAM/MA 85/15 NIPAM/MA 75/25 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Thời gian (phút) Hình 3.23. Quá trình nhả trương của hydrogel (NIPAM-co-MA) với các tỷ lệ MA khác nhau trong nước cất tại 20oC Kết quả cho thấy tốc độ trương và nhả trương của hydrogel cũng như mức độ trương ở trạng thái cân bằng, thời gian đạt trạng thái trương cân bằng( 0% MA, 5% MA, 15% MA, 25%MA lần lượt là: 300, 270, 240, 180 phút) đều tăng. Sự thay đổi này là do khi tăng hàm lượng MA sẽ làm tăng số lượng các nhóm ưa nước (-COOH) dẫn đến tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các đoạn mạch 16 hydrogel là nguyên nhân mở rộng cấu trúc các ô mạng thuận lợi cho việc khuếch tán của các phân tử nước cũng như số lượng vào trong cấu trúc hydrogel, việc tăng số lượng nhóm COOH cũng làm tăng số lượng liên kết của nước với hydrogel. - Tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-MA) Tính chất thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-AM) được đưa ra ở hình 3.30. Mức độ trương (g/g) 20 16 12 NIPAM-MA 8 4 0 0 3 6 9 Thời gian (giờ) 12 15 18 Hình 3.24. Tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-MA) với tỷ lệ NIPAM/MA=95/5 Số liệu thực nghiệm thu được cho thấy tính chất thuận nghịch nhiệt của hydrogel với sự có mặt của MA diễn ra trong khoảng thời gian ngắn hơn so với tất cả các loại hydrogel đã được nghiên cứu ở trong phạm vi luận án này tuy nhiên số chu kỳ lại ngắn nhất điều này được lý giải là do tính ưa nước cao của MA sẽ làm giãn nở mạng lưới của hydrogel ở mức độ cao dẫn khoảng cách giữa điểm cực tiểu và cực đại giảm, độ bền của cấu trúc mạng lưới cũng bị ảnh hưởng rất nhiều dẫn đến sự suy giảm nhanh về mức độ trương (một phần của mạng lưới đã bị phá vỡ). - Hình thái học bề mặt và độ bền cơ học của hydrogel Hình 3.25. Ảnh SEM bề mặt cắt ngang của hydrogel P(NIPAM) (a) và hydrogel (NIPAM-coMA) (b) với tỷ lệ NIPAM/MA = 95/5 Kết quả ảnh SEM cho thấy bề mặt cắt ngang ngang có cấu trúc xốp cao với đường kính mao quản trung bình của hydrogel có mặt MA lớn hơn khi không có. Ngoài ra trên bề mặt của hydrogel (NIPAM-co-MA) kích thước thành của các mao quản lớn hơn, sự phân biệt giữa các ống mao quản cạnh nhau giảm đi điều này thể hiện tính ưa nước tăng khi có mặt của MA là rất rõ rệt. Đặc điểm này cho phép nước khuếch tán chất tan theo mọi hướng với tốc độ tương đương. Kết quả độ bền cơ lý của hydrogel khi hàm lượng MA tăng cho thấy khi hàm lượng MA tăng thì lực kéo đứt cũng như độ dãn dài khi đứt đều giảm rõ rệt thậm chí đối với tỷ lệ NIPAM/MA=75/25 không đo được. * Tóm tắt kết quả tiểu mục 3.2.3: - Các hằng số đồng trùng hợp của NIPAM và MA thu được bằng phương pháp Kelen- Tudos là rMA = 0,08, rNIPAM = 0,45. - Tăng tỷ lệ mol MA làm tăng LCST và mức độ trương của hydrogel. - Việc bổ xung hàm lượng MA làm mức độ trương của hydrogel thay đổi rõ rệt theo pH. - Tính chất cơ học của hydrogel suy giảm hơn so với hydrogel (NIPAM). 17 - Hydrogel có cấu trúc xốp mao quản với đường kính lớn. - Hydrogel cũng có tính chất thuận nghịch nhiệt nhưng thấp hơn so với các hydrogel đã được nghiên cứu ở trên. 3.2.4. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) Từ các nghiên cứu khảo sát trên đây, việc tiến hành tổng hợp hydrogel có tính chất vừa nhạy nhiệt, nhạy pH và có khả năng tương hợp với các tế bào trong cơ thể sẽ được tiến hành, khảo sat các tính chất trên cơ sở NIPAM, HEMA và MA. Để tiến hành chế tạo hydrogel nhạy nhiệt tác giả sẽ tiến hành tổng hợp hydrogel theo tỷ lệ NIPAM/HEMA = 75/25 (việc lựa chọn này dựa trên khả năng tương hợp với các tế bào của HEMA và ở tỷ lệ này LCST = 36,7oC gần nhiệt độ cơ thể và hydrogel có độ bền cơ học phù hợp) và với các tỷ lệ MA thay đổi trong khoảng từ 1 – 5% so với NIPAM. Hình 3.26. Phổ hồng ngoại của terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) Trên phổ của sản phẩm thấy xuất hiện dải hấp thụ mạnh tại vị trí 3506cm-1 và 3317 cm-1 đặc trưng cho nhóm –NH2 và nhóm –OH trong axit có píc tại 3063 cm-1. Dải hấp thụ tại vị trí 1633cm-1 và 1546 cm-1 khẳng định sự có mặt tương ứng của nhóm amit (I) và amit (II) píc 1723 cm-1 có cường độ mạnh do có sự cộng hưởng giữa nhóm C=O của HEMA và MA, píc 1423 cm-1 và 1295 cm-1 tương ứng với dao động của nhóm isopropyl, 1199 cm-1 là dao động của nhóm C-O trong liên kết este. Các pic hấp thụ này chứng minh sự thành công của quá trình đồng trùng hợp. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng MA đến tính chất nhạy nhiệt của terpolyme (NIPAM-HEMA-MA) Kết quả cho thấy khi hàm lượng MA tăng sẽ làm tăng LCST của terpolyme và với hàm lượng MA bằng 2% so với NIPAM thì điểm LCST có giá trị đạt 37,1oC gần nhiệt độ cơ thể người, tỷ lệ này sẽ được sử dụng để tiến hành nghiên cứu các tính chất của hydrogel nhạy nhiệt và pH của môi trường 3.2.4.3. Nghiên cứu quá trình trương và nhả trương của hydrogel (NIPAM-co-HEMA-co-MA) 25 Mức độ trương (g/g) 20 15 NIPAM/HEMA 75/25 10 NIPAM/MA 98/2 NIPAM-HEMA-MA 5 0 0 100 200 300 400 Thời gian (phút) Hình 3.27. Quá trình trương của hydrogel (NIPAM-co-HEMA-co-MA) trong nước cất tại 20oC 18
- Xem thêm -