Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu hydrogel từ các polyme trộn hợp PVA CMC

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

SVTH: Nguyễn Thị Hải

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.4.1.2.2. Tính chất của CMC ......................................................................... 24
1.4.2. Tổng hợp dung dịch hỗn hợp ................................................................ 25
1.4.3. Chế tạo polyme hydrogel PVA/CMC ................................................... 25
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ....................................................................... 26
2.1. Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ............................................... 26
2.1.1. Nguyên liệu ........................................................................................... 26
2.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ................................................................. 26
2.2. Chế tạo mẫu PVA/CMC........................................................................... 27
2.2.1. Tổng hợp dung dịch hỗn hợp PVA và CMC ........................................ 27
2.2.2. Quy trình sản xuất polyme hydrogel PVA/CMC.................................. 27
2.3. Chế tạo mẫu polyme hydrogel PVA/CMC .............................................. 29
2.3.1.Chế tạo màng polyme hydrogel dùng cho việc phân tích(IR,SEM) ...... 29
2.3.2. Chế tạo polyme hydrogel dùng cho khảo sát độ nhạy pH .................... 29
2.4. Khảo sát độ trương nở của hydrogel PVA/CMC .................................... 30
2.4.1. Hóa chất và dụng cụ ............................................................................. 30
2.4.2. Điều chế dung dịch PH hỗn hợp .......................................................... 30
2.4.3. Cách tiến hành đo ................................................................................. 33
2.6. Các phương pháp hóa lý .......................................................................... 34
2.6.1. Phương pháp phổ hồng ngoại .............................................................. 34
2.6.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ............................................ 35
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 38

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

Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Lại Thị Thúy, người đã trực
tiếp, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề
tài này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn đến toàn thể các thầy cô khoa Hóa học trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu tại đây.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên
giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Thị Hải

SVTH: Nguyễn Thị Hải

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Những yếu tố môi trường có thể gây nhạy cảm với IPH
Bảng 2.1. Thành phần các chất trong dung dịch hỗn hợp PVA và CMC
Bảng 2.2. Thành phần điều chế dung dịch pH khác nhau
Bảng 3.1. Biến dạng của hydrogel PVA/CMC 60/40 (wt/wt) theo thời gian
trong các môi trường pH khác nhau
Bảng 3.2. Độ trương nở của các hydrogel PVA/CMC theo thời gian trong các
môi trường pH khác nhau

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

Hình 1.12 . Mối liên quan giữa độ dãn dài và phần dẻo hóa của màng PVA
(độ nhớt cao, dạng thủy phân hoàn toàn, ở điều kiện 50 phần RH)
Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp dung dịch hỗn hợp PVA/CMC
Hình 2.2. Mẫu hydrogel PVA/CMC (60:40)
Hình 2.3. (a) Dao động hóa và (b) Dao động biến dạng
Hình 2.4. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét SEM
Hình 2.5. Máy hiển vi điện tử quét HITACHI S-4800
Hình 3.1. Ảnh SEM của: (a) Mẫu PVA nguyên chất; (b) Mẫu PVA/CMC
80:20; (c) Mẫu PVA/CMC 70:30; (d) Mẫu PVA/CMC 60:40
Hình 3.2. Phổ IR của các mẫu (a) PVA; (b)CMC; (c) PVA/CMC 60/40(wt/wt)
SVTH: Nguyễn Thị Hải

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Hình 3.3. Độ trương nở của hydrogel PVA/CMC 60/40 (wt/wt) theo thời gian
trong các dung dịch có pH khác nhau
Hình 3.4. Độ trương nở của các 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

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

thay đổi của môi trường. Chúng có thể thay đổi thể tích đáp ứng theo sự thay đổi
của các thông số môi trường như nhiệt độ, pH, lực ion… Những đặc tính độc
đáo của hydrogel đem lại sự quan tâm đặc biệt trong y hoc như: kỹ thuật vận
chuyển dược chất (màng hydrogel bao bọc thuốc), bao bọc tế bào, mô,… Và các
ứng dụng trong việc chế tạo các sensor pH và các sensor sinh học.
Với mong muốn cải thiện những đặc tính của vật liệu hydrogel, con
người đã không ngừng nghiên cứu tạo ra những loại vật liệu polyme hydrogel
mới. Phương pháp trộn hợp các polyme khác nhau và đem các tính chất riêng
lẻ của từng polyme thành phần vào hỗn hợp là phương thức rẻ tiền và tiện lợi
để xây dựng vật liệu mới.
Luận văn này xin được đề cập đến vấn đề “Chế tạo và nghiên cứu
tính chất của vật liệu hydrogel từ các polyme trộn hợp PVA/CMC”. Đây
là hướng nghiên cứu khá mới ở nước ta, mở ra nhiều triển vọng ứng dụng
trong ngành y và trong thực tiễn đời sống sản xuất như tạo ra các màng bọc
hoa quả, màng tự phân hủy sinh hoc,…
2. Mục đích và nhiệm vụ
Chế tạo polyme hydrogel trên cơ sở trộn hợp polyvinyl alcohol (PVA)
và Carboxyl methyl cellulose (CMC). Và nghiên cứu các đặc tính của
hydrogel PVA/CMC.
3. Đối tượng nghiên cứu
Polyme hydrogel trộn hợp trên cơ sở PVA/CMC

SVTH: Nguyễn Thị Hải

1

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

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

với nhau. Polyme hydrogel biểu hiện thuộc tính dễ hấp thụ nước dẫn đến làm
trương nở thể tích, nhưng không hòa tan trong môi trường nước. Hình 1.1 là
ảnh cấu trúc mô phỏng mạng ba chiều của polyme hydrogel. [2][5]

Hình 1.1. Ảnh mô phỏng cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel
1.1.2. Tính chất cơ học của polyme hydrogel
1.1.2.1. Tính chất đàn hồi
Cao su là vật liệu đáp ứng với ứng suất gần như ngay lập tức và biến
dạng là hoàn toàn thuận nghịch. Biến dạng của cao su rất lớn, có thể lên tới
vài trăm phần trăm. Hydrogel cũng thể hiện các đặc tính tương tự trong trạng
thái trương nở, nghĩa là có thể thực hiện một lực đàn hồi giống như cao su. Vì
vậy, ta có thể áp dụng mô hình lý thuyết về đàn hồi cao su cho vật liệu
SVTH: Nguyễn Thị Hải

3

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

polyme hydrogel. Theo nhiệt động học cổ điển, phương trình trạng thái đối
với đàn hồi cao su như sau: [4]

 U 
 f 
f 
 T 

 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

 T ,V

T ,V
Trong đó:
k: Hằng số Boltzman
r: Khoảng cách đầu cuối nhất định
T: Nhiệt độ

SVTH: Nguyễn Thị Hải

4

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Ω (r,T): Xác suất mà chuỗi polyme có khoảng cách đầu cuối r một
nhiệt độ T chấp nhận một hình dạng nhất định nào đó. Đối với một chuỗi đơn,
ta có:

f 

3kTr
r f2

Với mạng có n chuỗi, biến đổi của năng lượng tự do Helmholtz gây
biến dạng đàn hồi là:

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 
 

 
  T ,V M C rf 
Trong đó:
M C : Khối lượng phân tử trung bình giữa các nút kết nối

r02
r f2

: Tỉ số khoảng cách đầu - cuối trong mạng thực với mạng riêng biệt và

thường có giá trị xấp xỉ 1. Từ kết qủa này ta thấy rõ ứng suất đàn hồi của cao
su khi bị kéo dãn tỉ lệ trực tiếp với mật độ mạng (số các chuỗi mạng trên một

đơn vị thể tích) hoặc với M C . Một cách tương tự với hydrogel khi mức độ

trương nở càng cao thì ứng suất sẽ giảm.

SVTH: Nguyễn Thị Hải

5

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Khi đó:

Trường ĐHSP Hà Nội 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 

G
1
2 
r
MC f 
M n 
Do cao su và các vật liệu tương tự được coi như không bị nén nên có
thể suy ra được suất đàn hồi Young như sau: E  3G
1.1.2.2. Tính chất đàn hồi nhớt
Trên thực tế polyme hydrogel không chỉ có tính đàn hồi bình thường
mà còn có tính đàn hồi nhớt. Đàn hồi nhớt là một thuộc tính tự nhiên của loại
vật liệu vừa có tính rắn vừa có tính lỏng. Lý thuyết đàn hồi nhớt xem xét mối
quan hệ giữa tính đàn hồi, dòng chảy và chuyển động phân tử trong các vật
liệu polyme. Do kích thước phân tử lớn, mà đáp ứng đàn hồi nhớt của vật liệu
polyme phụ thuộc mạnh vào bản chất chuyển động của phân tử khi chịu tác
động cơ học bên ngoài. Vì thế, sự phụ thuộc thời gian cũng như độ lớn của
ứng suất tác động hoặc biến dạng, có ý nghĩa quan trọng trong việc tiên đoán
các đáp ứng cơ học của vật liệu cho các ứng dụng cụ thể. Hai đặc trưng điển
hình của tính đàn hồi nhớt là: [4]
1. Tính dão: Biến dạng của vật liệu sẽ thay đổi theo thời gian dưới tác
dụng của một ngoại lực không đổi. Độ dão khi đó được xác định bằng tỉ số
giữa biến dạng phụ thuộc thời gian và ứng suất đặt vào.
SVTH: Nguyễn Thị Hải

6

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

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 

 
Trong đó:
σ0 là ứng suất ban đầu
τ đặc trưng cho hằng số thời gian hồi phục và được xác định bởi:
SVTH: Nguyễn Thị Hải

7

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2




E

Mô hình Kelvin-Voigt: Trong mô hình này phần tử lò xo (suất đàn hồi E)
được ghép song song với phần tử giảm chấn (hệ số nhớt η). Ứng suất của hệ
sẽ là ứng suất tổng cộng của hai phần tử, nhưng biến dạng là như nhau.

a)

b)

Hình 1.3. (a) Mô hình Kelvin-Voigt và (b) đặc tính của mô hình
Mối quan hệ ứng suất và biến dạng sẽ là:

  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

d
 E1  ( E1  E2 )
dt
dt

Đây là mô hình thể hiện được ứng suất của vật liệu giống cao su như
polyme hydrogel vì có thể mô tả chính xác quá trình ứng suất vật liệu hồi
phục, tiến gần đến một giá trị tới hạn dưới một biến dạng không đổi.
1.2. Polyme hydrogel thông minh (Intelligent hydrogels polymer - IPH)
Polyme hydrogel thông minh là những polyme hydrogel có khả năng đáp
ứng bởi các kích thích môi trường bên ngoài. Chúng đáp ứng với các thay đổi
thuộc tính rộng, nhạy đối với sự thay đổi môi trường trong các điều kiện vật
lý hoặc hóa học. [5]
Chúng có thể biến đổi ra nhiều dạng, cũng có thể được hòa tan trong
dung dịch có nước. Nó được hấp thụ hoặc cấy ghép vào bề mặt tiếp
xúc rắn - nước, hoặc được tạo liên kết cầu trong các dạng polyme hydrogel.
Hình 1.5 và bảng 1.1 , giới thiệu những kích thích môi trường có thể gây nhạy
cảm với các hydrogel.

Hình 1.5. Mô phỏng những tác nhân kích thích tạo quá trình trương nở
của IPH

SVTH: Nguyễn Thị Hải

9

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

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

Đây là những IHP có chứa các nhóm chức có khả năng ion hóa. Điển
hình như các axit carboxylic hoặc các nhóm amine. Sự phân loại của các
hydrogel nhạy pH dựa vào các đặc tính sau: [5]
+ Axit lưỡng tính
+ Bazơ lưỡng tính
+ Polyme có khả năng suy biến nhạy PH
+ Polyme sinh học và các polypeptide nhân tạo.
Cơ chế hình thành khả năng nhận biết pH thông qua sự thay đổi môi
trường. Do sự sinh ra điện tích dọc theo mạch chính của polyme, lực đẩy tĩnh
SVTH: Nguyễn Thị Hải

10

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

điện làm tăng thể tích thủy động lực học của polyme. Sự biến đổi pH được
quan sát thông qua sự thay đổi môi trường. Ví dụ như quan sát sự thay đổi
môi trường của bộ máy tiêu hóa giữa ruột và dạ dày: gastrointestinal tract
(GI - Tract). GI - Tract rất nhạy với sự thay đổi của pH và là một điểm quan
trọng cho các ứng dụng của các polyme nhạy pH. Độ pH của GI - Tract là ~ 2
trong khi của ruột pH là ~7.4 hoặc 7.8. [5]
IHP nhạy pH bao gồm các axit lưỡng tính tiêu biểu như:
CH3
H
CH2

CH3

C
C O

CH2

n

C
C O

OH

(a)

CH2

n

CH3

CH2

CH2

CH2

C

C O

OH

OH

(b)

(c)

n

CH2

C
C O

n

OH

(d)

(a) Poly (axit acrylic) (PAAc)
(b) Poly (axit methacrylic) (PMAAc)
(c) Poly (axit 2 - ethylacrylic) (PEAAc)
(d) Poly (axit 2 - propyl acrylic) (PPAAc)
IPH nhạy pH là những polyme bazơ lưỡng tính, tiêu biểu như:
CH3

CH3
CH2

C
C O

CH2

C O

n

(a)

n

O

O

CH2

CH2

CH2

CH2

N
H2C

N
H3C

C

CH2 CH

N

(b)

SVTH: Nguyễn Thị Hải

n

N

CH2

CH3 CH3

CH3

CH2 CH

n

Hoặc

(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

O

N

N

O
n (b)

(a) Poly (ortho este)
(b) Poly (b - amino este)
Ngoài ra, một số IHP nhạy pH bao gồm polyme sinh học và polypeptide
nhân tạo, tiêu biểu:
CH3
CH2

H

O

N
CH

H

O

C O

N

C

NH

CH

C

CH2

CH2

N

CH2

NH

(a)

CH2
CH
CH3 CH3

(b)

O

O

C

C
R

CH COOH

n

n

COOH

CH2
N

C

(c)
H

4

N
CH

H
OH

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).

 Các polyme sinh học và các polymepeptide nhân tạo
(Biopolymers and Artificial Polypeptides).
Các IHP nhạy nhiệt độ theo cơ chế LCST
IHP nhạy nhiệt độ theo hiệu ứng LCST điển hình theo cơ chế này là bình
thường, ở nhiệt độ thấp, polyme là chất lỏng. Khi làm nóng ở nhiệt độ cao hơn,
các polyme là các chất kỵ nước và không trương nở đáng kể trong nước.
Một số polymer tiêu biểu:
O H
C O

CH2 CH
C O

n

C O

N H
CH
CH3 CH3

CH2

CH2 CH

n

CH2

CH3 CH3

(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

Poly (N - acrylamide thay thế) thể hiện một LCST
(a) Poly (nisopropylacrylamide) (PNIPAAm)
(b) Poly (N,N’ - diethylacrylamide) (PDEAAm)
(c) Poly (2 - carboxyisopropylacrylamide) (PCIPAAm)
Các IHP nhạy nhiệt độ theo hiệu ứng cân bằng trong phân tử lưỡng tính
Một số block copolyme có thành phần cấu tạo phân tử lưỡng tính, bao
gồm các nhóm ưa nước và kỵ nước. Loại polyme này cảm ứng nhiệt độ, tạo
hạt micell trong môi trường nước và hình thành gel. Như vậy, nhiệt độ hóa gel
là nhiệt độ tới hạn. Ở trên nhiệt độ đó, dung dịch polyme đông là tạo thành
gel. Tiêu biểu cho vật liệu loại này là các copolyme 3 khối poly (ethylen oxit)
- poly (propylene oxit) - poly (thylene oxit) (PEO - PPO PEO). [5]
CH3
HO

CH2

CH2

O CH2

CH O CH2

CH2

O H

y

x

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

- Giá cả hấp dẫn
- Tiến bộ trong điều trị ung thư tuyến tiền liệt (Eligard®) hoặc các bệnh
quanh răng.

Hình 1.6. Thuốc điều trị ung thư tuyến tiền liệt Eligar®
và bệnh quanh răng Atridox®
Hình 1.7. Dưới đây mô tả quá trình xử lý thuốc dạng Atrigel đã được sử
dụng trong lâm sàng. Đầu tiên dung dịch Atrigel có chứa thuốc được tiêm vào
cơ thể nơi cần điều trị. Nước nội sinh là nguyên nhân gây cho Atrigel đông
đặc và ở trong mô cấy suy biến sinh học. Thuốc được giải phóng một cách có
điều khiển, trị liệu các suy biến sinh học theo thời gian. [5]

Hình 1.7. Sơ đồ quá trình sử dụng thuốc dạng Atrigel trong lâm sàng

SVTH: Nguyễn Thị Hải

15

K35A – SP Hóa


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Việc sử dụng các PHG trong hệ phân phát thuốc phải dựa vào các hiệu
ứng nhạy cảm của nó. Các hiệu ứng nhạy cảm của PHG thông qua quá trình
kích thích bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, từ trường…
Sự trương nở và giải phóng thuốc của các PHG nhạy pH

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