NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của cấu TRÚC PENTABLOCK OS PLA PEG PLA OS lên KHẢ NĂNG SOL GEL và PHÂN hủy IN VITRO của HYDROGEL NHẠY NHIỆT ph

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA CẤU TRÚC PENTABLOCK OSPLA-PEG-PLA-OS LÊN KHẢ NĂNG
SOL-GEL VÀ PHÂN HỦY IN VITRO
CỦA HYDROGEL NHẠY NHIỆT/pH


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Mn

The number average molecular mass

Mw

The weight average molecular mass

PEG

Poly ethyleneglycol

PLA

Poly lactide

OS

Oligomer Serine

DCM

Dicloromethane

PBS

Phosphate Buffered Saline

GPC

Gel Permeation Chromatoraphy

SEM

Scanning Electron Microscope

CL

ε-capronlactone

PAA

Poly amido amine

PAE

Poly β-amino ester

PAU

Poly amino urethane

PCL

Poly ε-capronlactone

PCLA

Poly ε-capronlactone-co-lactide

PLGA

Poly D,L-lactide acid-co-glycolic acid

PCGA

Poly glycolide-co-ε-caprolactone

OSM

Oligomer Sulfamethazine


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bảng tổng hợp một số đề tài nghiên cứu trên thế giới..............................3
Bảng 2.1: So sánh ưu nhược điểm của hydrogel [3], [26].......................................24
Bảng 2.2: Một số ứng dụng của hydrogel trong vận chuyển thuốc [4], [7].............25
Bảng 3.1: Nguyên liệu tổng hợp pentablock copolymer.........................................38
Bảng 3.2: Tính chất của nguyên liệu......................................................................38
Bảng 3.3: Các dụng cụ - thiết bị sử dụng trong nghiên cứu....................................41
Bảng 4.1: Kết quả đo GPC các hợp tổng hợp từ PEG 1800 g/mol..........................53

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Phân loại Hydrogel [7].............................................................................9
Hình 2.2: Phân loại liên kết trong hydrogel [7]......................................................11
Hình 2.3: Cơ chế chuyển pha sol – gel của hydrogel nhạy nhiệt [2]......................13
Hình 2.4: Quá trình chuyển pha sol – gel của triblock PEG – PLGA – PEG [10].. 14
Hình 2.5: Sơ đồ cơ chế gel hóa thực hiện bởi proton hóa – deproton của hydrogel
nhạy pH loại cation [9]............................................................................................16
Hình 2.6: Sự chuyển pha sol – gel của copolymer cation (A) và copolymer anion
(B) của hydrogel nhạy nhiệt/pH [5].........................................................................18
Hình 2.7: Cơ chế chuyển hóa sol – gel của triblock PCLA-PEG-PCLA (a) và
pentablock OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM; nồng độ 15%; tỉ lệ PEG/PCLA 1/1.89
(), 1/2.08 () [4]....................................................................................................18
Hình 2.8: Sơ đồ cơ chế sol – gel của dung dịch copolymer nhạy nhiệt/pH [17].....19
Hình 2.9: Mạch polymer trước và sau khi nối mạng..............................................21
Hình 2.10:Sự trương nở của hydrogel.....................................................................21
Hình 2.11: Hình vẽ thể hiện sự tương thích sinh học trên cơ thể người...................23
Hình 2.12:Quá trình phân hủy sinh học của hydrogel.............................................24
Hình 2.13:Phương trình tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt/pH OSM-PCLA-PEGPCLA-OSM [19].....................................................................................................26
Hình 2.14:Sự chuyển pha sol – gel của hydrogel copolymer OSM-PCLA-PEGPCLA-OSM khi thay đổi nồng độ copolymer. () nồng độ 10%, () nồng độ 15%,
() nồng độ 20%, () nồng độ 25% [21]..................................................................27
Hình 2.15:Sự chuyển pha sol – gel của hydrogel copolymer OSM-PCLA-PEGPCLA-OSM nồng độ 15% khi thay đổi khối lượng PEG và tỉ lệ PEG/PCLA.........27
Hình 2.16:Sự chuyển pha sol – gel của hydrogel copolymer OSM-PCLA-PEGPCLA-OSM nồng độ 15%, PEG 1500, tỉ lệ PEG/PCLA = 1/2,08 khi thay đổi khối
lượng OSM [21]......................................................................................................28


Hình 2.17:Khảo sát sự thay đổi độ nhớt của OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM ở nhiệt
độ 37C theo thời gian [19].....................................................................................29
Hình 2.18:Phương trình phản ứng tổng hợp hydrogel copolymer OSM-PCGA-PEGPCGA-OSM [20].....................................................................................................30

Hình 2.19:Sự chuyển pha sol-gel của OSM-PCGA-PEG-PCGA-OSM với sự khác
nhau giữa các khối lượng phân tử PEG và giữa các nồng độ tại điểm pH 7.4 [20]..31
Hình 2.20:Đồ thị biểu diễn sự phân hủy hydrogel copolymer [20].........................32
Hình 2.21:Quá trình nhả thuốc của hydrogel copolymer OSM-PCGA-PEG-PCGAOSM [20].33
Hình 2.22:Phương trình phản ứng tổng hợp hydrogel copolymer PAE-PCLA-PEGPCLA-PAE [15].......................................................................................................34
Hình 2.23:Đồ thị chuyển pha sol-gel của hydrogel copolymer PAE-PCLA-PEGPCLA-PAE [15].......................................................................................................35
Hình 3.1: Dụng cụ dùng để khuấy mẫu..................................................................40
Hình 3.2: Quy trình tổng hợp hydrogel copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS..........43
Hình 3.3: Phương trình phản ứng tổng hợp pentablock copolymer........................44
Hình 3.4: Hệ phản ứng tổng hợp hydrogel copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS.....45
Hình 3.5: Sơ đồ khảo sát quá trình sol – gel của hydrogel copolymer....................46
Hình 3.6: Các trạng thái sol – gel của phương pháp nghịch chuyển.......................48
Hình 3.7: Sơ đồ khảo sát quá trình phân hủy của hydrogel copolymer...................49
Hình 3.8: Một số bước thực hiện............................................................................50
Hình 4.1: Sản phẩm pentablock copolymer tổng hợp khác nhau ở loại PEG.........53
Hình 4.2: Đồ thị chuyển pha sol-gel của pentablock PEG (1800) – 2PLA – 6OS.. 55
Hình 4.3: Đồ thị chuyển pha sol-gel của pentablock PEG (2050) – 2PLA – 6OS.. 55
Hình 4.4: Đồ thị chuyển pha sol-gel của pentablock PEG – 2PLA – 6OS.............56
Hình 4.5:..Sản phẩm pentablock copolymer tổng hợp khác số block nhạy nhiệt PLA.
................................................................................................................................. 57


1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU


2

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, nhờ khoa học công nghệ ngày càng phát triển mà đời sống xã hội
của chúng ta được nâng cao hơn. Nhu cầu sử dụng vật phẩm mang tính chất thân
thiện với môi trường, không gây độc hại cho con người và môi trường ngày càng
lớn. Đặc biệt khi nói đến polymer, người ta thường nhớ đến là một loại vật liệu rất
khó phân hủy. Tuy nhiên, lĩnh vực polymer đã được nghiên cứu tạo ra các polymer
thông minh có khả năng đáp ứng với các kích thích từ môi trường như pH, nhiệt độ,
điện, từ tường, các kích thích hóa học và sinh học,…hoặc chúng có thể đáp ứng
đồng thời với nhiều tác nhân kích thích. Các polymer thông minh này đã mang đến
hướng đi mới vô cùng quan trọng cho ngành công nghệ vật liệu, được ứng dụng
trong lĩnh vực công nghệ sinh học, môi trường, nông – lâm – ngư nghiệp,…nhưng
chủ yếu là trong lĩnh vực y học.
Trong lĩnh vực y học, polymer sử dụng gọi là polymer y sinh. Các polymer y
sinh được sử dụng với mục đích điều trị, thay thế các cơ quan hay chức năng và
tăng cường chức năng nào đó trong cơ thể người và động vật. Điển hình của
polymer y sinh được nghiên cứu và ứng dụng là polymer hydrogel. Các polymer
hydrogel dùng để kiểm soát quá trình vận chuyển và giải phóng thuốc nhằm tăng
cường hiệu quả sử dụng thuốc trong suốt quá trình điều trị. Sau một khoảng thời
gian hydrogel nằm trong điều kiện sinh lý thì các hydrogel này sẽ tự phân hủy và
tiêu biến, không hoặc ít gây tác dụng cho tế bào chủ. Việc tạo ra các polymer
hydrogel này là do mong muốn khắc phục tình trạng thuốc bị phân hủy khi đi qua
các môi trường bất lợi trong cơ thể gây mất tác dụng khi chưa đến nơi điều trị [1].
Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, thị trường nghiên cứu về
lĩnh vực này rất tiềm năng. Tuy nhiên chi phí nguyên liệu, máy móc khá đắt cũng
ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình nghiên cứu vật liệu này ở nước ta.
Hiện tại trên thế giới đã tổng hợp, nghiên cứu về tính nhạy nhiệt/pH, khả
năng phân hủy của hydrogel copolymer khi kết hợp triblock nhạy nhiệt PCL – PEG


3

– PCL, PCGA – PEG – PCGA, PCLA – PEG – PCLA,…với các gốc nhạy pH như
PAE, OSM, OS,…Tuy nhiên việc tổng hợp và nghiên cứu về tính nhạy nhiệt/pH của
pentablock copolymer OS – PLA – PEG – PLA – OS thì chưa được nghiên cứu. Vì
thế trong đề tài khóa luận tốt nghiệp này sẽ tập trung nghiên cứu về khả năng nhạy
nhiệt/pH của nhiều loại pentablock OS – PLA – PEG – PLA – OS có cấu trúc khác
nhau và đánh giá mức độ phân hủy của chúng, từ đó đưa ra kết quả vùng ứng dụng
của các hydrogel sử dụng cho phương pháp tiêm vào cơ thể.
Một số công trình tổng hợp hydrogel trên thế giới đã được nghiên cứu như
sau:
Bảng 1.1.1.1.1:
ST
T
1

2

3

4
5

Bảng tổng hợp một số đề tài nghiên cứu trên thế giới

Đề tài nghiên cứu

Tác giả

Địa điểm

Tổng hợp hydrogel copolymer phân

hủy sinh học nhạy nhiệt/pH trên cơ
sở oligomer nhạy pH là Sulfoamide
[19]
Tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt/pH
trên cơ sở oligomer nhạy pH là Poly
(β – amino ester) (PAE) [21]
Tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt/pH
trên cơ sở oligomer nhạy pH là Poly
(amido-amine) (PAA) [22]
Tổng hợp hydrogel nhạy nhiệt/pH
trên cơ sở oligomer nhạy pH là Poly
(amino urethane) (PAU) [23]
Sự phân hủy và tính tương thích sinh
học của hydrogel nhạy nhiệt/pH trên
cơ sở oligomer nhạy pH là
Sulfoamide khi thay đổi cấu trúc của
khối copolymer poly(-caprolactoneco-lactide) – poly(ethylene glycol) –

Woo Sun Shim,
Sung Wan Kim
và Doo Sung
Lee
Giáo sư Doo
Sung Lee và các
cộng sự
Giáo sư Doo
Sung Lee và các
cộng sự
Giáo sư Doo
Sung Lee và các

cộng sự
Giáo sư Doo
Sung Lee và các
cộng sự

Đại học
Sungkyunkwan,
Suwon, Hàn
Quốc


4

poly (-caprolactone-co-lactide) [24]
Một số công trình nghiên cứu tổng hợp hydrogel trong nước có thể kể đến
như sau:
Đề tài “Tổng hợp vật liệu polymer dạng hydrogel nhạy nhiệt” của tác giả
Dương Hoàng Thanh, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam [2].
Đề tài “Synthesis of triblock copolymer of PCLA-PCL-PCLA base on peg:
D,L-lactide and ɛ-caprolactone” của tác giả Lê Văn Ty, Huỳnh Đại Phú trên Tạp chí
Khoa học và Công nghệ, (2011) [25].
Đề tải “D,L-Serine based pH-sensitive Oligoester” của tác giả Nguyễn Trí
Đăng, Huỳnh Đại Phú trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ, (2016) [12].
1.2 Mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phương
pháp nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu
 Tổng hợp pentablock OS-PLA-PEG-PLA-OS có cấu trúc khác nhau.
 Đánh giá khả năng chuyển pha sol – gel và khả năng phân hủy trong môi
trường in vitro.
1.2.2 Nội dung nghiên cứu

 Tổng hợp nhiều loại Pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS có cấu
trúc khác nhau về:
-

Loại Polyethylene Glycol (PEG).

-

Tỷ lệ PLA/PEG.

-

Số OS gắn vào mạch Triblock copolymer PLA-PEG-PLA.

 Khảo sát quá trình chuyển pha sol – gel của hydrogel copolymer OS-PLAPEG-PLA-OS.


5

 Khảo sát thời gian, mức độ phân hủy trong môi trường in vitro của hydrogel
copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS.
1.2.3 Đối tượng nghiên cứu
Pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLA-OS của hydrogel nhạy nhiệt
độ/pH có khả năng chuyển pha sol – gel của pentablock theo nhiệt độ và pH. Từ đó
khảo sát mức độ phân hủy in vitro của loại pentablock copolymer đó.
1.2.4 Phương pháp nghiên cứu
1.2.4.1 Phương pháp nghịch chuyển
Phương pháp nghịch chuyển dùng để khảo sát quá trình chuyển pha sol – gel
của hydrogel nhạy nhiệt/pH trên cơ sở pentablock copolymer OS-PLA-PEG-PLAOS. Quá trình được thực hiện bằng cách nghịch đảo lọ thí nghiệm trong vòng 1
phút. Sau quan sát bằng mắt thường để nhận biết trạng thái chuyển pha sol – gel, đặt

lọ vial nghiêng 30 xác định trạng thái sol và nghiêng 180 xác định trạng thái gel.
1.2.4.2 Các phương pháp phân tích, đánh giá cấu trúc copolymer
 GPC: Phương pháp dùng để đo khối lượng phân tử các mẫu pentablock OS –
PLA – PEG – PLA – OS.
 SEM: Phương pháp dùng để chụp ảnh cấu trúc bề mặt hydrogel. Việc tạo ảnh
của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ
phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật.
1.3 Tính mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.1 Tính mới của đề tài
Trên thế giới các công trình nghiên cứu về hydrogel rất phong phú, đặc biệt
về lĩnh vực dẫn thuốc. Mỗi công trình nghiên cứu đều mang lại giá trị mới, góp
phần xây dựng hướng phát triển cho các đề tài nghiên cứu sau này. Ở Việt Nam,


6

mong muốn phát triển lĩnh vực này gặp rất nhiều khó khăn do chi phí nguyên liệu,
máy móc đắt đỏ, điều kiện thí nghiệm không tốt,…
Hiện nay đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu tổng hợp thành công các khối
copolymer nhạy nhiệt, nhạy nhiệt/pH trên cơ sở PCL – PEG, PLGA – PEG,…gắn
với gốc nhạy pH như PAE, OSM,…nhưng chưa có nghiên cứu nào về tính nhạy
nhiệt/pH của copolymer trên cơ sở PLA – PEG. Đề tài này sẽ kết hợp PLA – PEG
với gốc nhạy pH mới là Oligomer Serine (OS) nhằm ứng dụng trong vận chuyển
thuốc.
Để đánh giá khả năng ứng dụng của loại pentablock copolymer trên thì luận
văn này sẽ tập trung nghiên cứu khảo sát quá trình nhạy nhiệt/pH của các
pentablock copolymer có cấu trúc khác nhau, sau đó nghiên cứu thời gian phân hủy
của các pentablock copolymer này trong môi trường in vitro làm tiền đề cho việc
nghiên cứu quá trình dẫn thuốc trên cơ sở PLA – PEG phân hủy sinh học.
1.3.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đánh giá chính xác vùng ứng dụng được của các pentablock copolymer có
cấu trúc khác nhau, khảo sát mức độ phân hủy của các pentablock copolymer này
trong môi trường in vitro làm tiền đề khảo sát trong môi trường in vivo và tiến hành
thí nghiệm quá trình vận chuyển thuốc.
1.3.3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Thực phẩm, môi trường ô nhiễm ngày nay đã gây phát sinh nhiều bệnh tật
cho con người, vì vậy nhu cầu sử dụng thuốc chữa trị càng lớn. Tuy nhiên nếu đưa
một lượng lớn thuốc vào cơ thể sẽ gây ra lãng phí thuốc hoặc tình trạng kháng thuốc
dẫn đến việc điều trị không hiệu quả. Do vậy mà hydrogel đã ra đời để cải thiện tình
trạng đó. Loại nguyên liệu thì đã phù hợp vì mang tính chất tương thích sinh học và
tính chất phân hủy sinh học, nhưng để lựa chọn được cấu trúc tối ưu cho việc dẫn
thuốc thì rất cần sự đánh giá quá trình sol – gel và quá trình phân hủy được thực


7

hiện trong đề tài này sẽ góp phần mở ra chương mới, nâng cao khả năng ứng dụng
trong lĩnh vực vận chuyển thuốc.


8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN


9

2.1 Lý thuyết
2.1.1 Giới thiệu về Hydrogel
Hydrogel là mạng lưới polymer ưa nước có cấu trúc không gian ba chiều, có

khả năng chứa một lượng lớn nước hay một dạng chất lỏng sinh học. Hydrogel sẽ
duy trì ở trạng thái nửa rắn (semisolid) trong khoảng thời gian nhất định [2]. Sự hấp
thụ một lượng nước đáng kể của hydrogel là do sự có mặt của một số lượng lớn các
nhóm ưa nước trên các chuỗi polymer như –NH 2, –OH, –COOH, –SO3H,… theo
kèm với đó là nhờ hệ thống mao dẫn và áp suất thẩm thấu [7].
Các hydrogel phân hủy sinh học sử dụng theo phương thức tiêm được ứng
dụng rộng rãi y sinh và dược học như vận chuyển thuốc đến các tế bào hay các kĩ
thuật mô nhờ tính chất ưa nước cao của chúng [4]. Thuốc sẽ kết hợp với hydrogel
tạo thành hệ phức gel (complex gel), sau đó được tiêm vào trong cơ thể sinh vật.
Ngoài ra nhờ tính ưa nước này mà hydrogel còn trở nên có ích trong việc làm kính
áp tròng, tách protein, xúc tác [1].
2.1.2 Phân loại Hydrogel
Hydrogel được phân loại dựa trên các yếu tố khác nhau như khả năng phân
hủy sinh học, cách thức liên kết ngang, nguồn gốc, điện tích ion, phương pháp
chuẩn bị, tính chất vật lý và khả năng phản ứng của hydrogel ảnh hưởng bởi các
kích thích từ bên ngoài [7].


10


11

Hình 2.1.2.1.1.1: Phân loại Hydrogel [7].
Một số đặc điểm phân loại có thể nêu một cách cụ thể như sau:


Theo nguồn gốc

Hydrogel từ các polymer tự nhiên: polysaccharides, pectin, alginic acid,

chondroitin,…
Hydrogel từ các polymer tổng hợp: như polyester, polyamide hay các
polymer trùng hợp mang tính chất nhạy với môi trường (nhiệt độ, pH, áp suất,…)
như polymethacrylic acid, poly-vinylpyridine,…
Trong tự nhiên, polymer rất phong phú, mang tính chất không độc hại, có
khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học và có giá thành rẻ. Tuy nhiên, độ
bền cơ học của hydrogel rất thấp. Mặt khác ở các hydrogel từ polymer tổng hợp lại
có độ bền cơ học tốt hơn nhưng giá thành cao, không có khả năng phân hủy sinh
học và dễ bị giảm cấp [7]. Do đó người ta kết hợp hai loại polymer này để cải thiện
tính chất, nhờ vậy có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của hydrogel.


Theo thành phần polymer

Homopolymer hydrogel: các hydrogel trong mạng lưới được cấu tạo từ một
loại monomer duy nhất. Các hydrogel này có cấu trúc liên kết chéo phụ thuộc vào
đặc điểm của monomer tự nhiên và phương pháp trùng hợp hoặc phương pháp trùng
ngưng [8]. Ví dụ: PEG là hydrogel có thể phản ứng với các điều kiện môi trường,
được ứng dụng trong việc dẫn thuốc [6].
Copolymer hydrogel: các hydrogel cấu tạo từ hai hay nhiều loại monomer
khác nhau, trong đó có ít nhất một gốc ưa nước tự nhiên. Ví dụ: Tổng hợp triblock
PEG-PCL-PECE được phát triển để ứng dụng trong việc dẫn thuốc nhờ cơ chế
trùng hợp mở vòng của PCL [6].
Inter penetrating network (IPN) hay còn gọi là Multicopolymer. Đây là loại
hydrogel quan trọng, kết hợp từ hai loại polymer khác nhau. Tuy nhiên trong cấu


12

tạo phải có ít nhất một nhóm là polymer tổng hợp hoặc liên kết với nhau, đồng thời

có sự hiện diện của nhóm còn lại [6]. Ngoài ra còn một loại hydrogel mà khi đó một
loại polymer có thể thâm nhập vào mạng lưới liên kết mà không có bất kì liên kết
hóa học nào giữa chúng được gọi là semi-inter penetration network.
 Theo bản chất khâu mạng (cross linking)
Trong hydrogel, các polymer liên kết với nhau được qua hai phương thức:
liên kết vật lý và liên kết hóa học. Việc tạo liên kết giúp ngăn chặn hydrogel bị hòa
tan khi hấp thụ một lượng nước hay chất lỏng sinh lý đáng kể.
Trong quá trình gel vật lý, bản chất quá trình khâu mạng là liên kết vật lý.
Quá trình này được thể hiện qua sự liên kết giữa các nhóm kị nước, liên kết giữa các
chuỗi phân tử, sự kết tinh, tính chất của các chuỗi polymer và liên kết hydro [6].
Mặt khác ở quá trình gel hóa học, liên kết chéo được hình thành bởi liên kết cộng
hóa trị từ các nhóm chức khác nhau trên chuỗi polymer (xảy ra đồng thời hoặc sau
quá trình phản ứng). Đối với liên kết hóa học có các phương thức liên kết như sau:
photocross-linking, phản ứng Click, phản ứng Michael Thiol-based, phản ứng
Schiff’s base và phản ứng enzyme [9]. Ngoài ra trong mạng lưới hydrogel có thể có
mặt của liên kết vật lý và liên kết hóa học nhờ vào lực tương tác tĩnh điện.


13

Hình 2.1.2.1.1.2:

Phân loại liên kết trong hydrogel [7].

(a) Mạng lưới hydrogel; (b) Liên kết vật lý; (c) Liên kết hóa học.
2.1.3 Điều kiện ứng dụng
Với các polymer sử dụng trong phương pháp tiêm hydrogel cần đáp ứng các
tiêu chí như sau [10]:
-

Độ nhớt của dung dịch polymer phải vừa đủ để tạo thuận lợi cho việc
tiêm cũng như bao bọc các phân tử hay tế bào có hoạt tính sinh học ở
nhiệt độ phòng.

-

Sau khi tiêm, trạng thái gel phải hình thành một cách nhanh chóng để
ngăn chặn sự hòa tan của polymer và các phần tử kết hợp.

-

Gel phải có khả năng phân hủy sinh học. Đặc tính phân hủy sinh học
rất cần thiết cho việc vận chuyển các tác nhân trị liệu, chất dinh
dưỡng, các yếu tố tăng trưởng, di chuyển tế bào và hình thành các mô
mới.

-

Polymer và các sản phẩm phân hủy của chúng phải tương thích sinh
học hoặc ít gây phản ứng đối với mô chủ.


14

-

Gel phải tạo thành chất nền phù hợp cho các tế bào. Sự tương thích
của polymer với tế bào rất quan trọng trong việc điều khiển kết nối
giữa hydrogel với tế bào tại điểm cấy ghép.

-

Gel phải thể hiện tính chất cơ lý và ứng dụng vật lý phù hợp. Ví dụ,
gel cứng mong muốn để tái tạo xương trong khi gel mềm phù hợp cho
ứng
dụng mô mềm.

Các hydrogel nhạy nhiệt đang được nghiên cứu hiện nay có tiềm năng ứng
dụng lớn. Tuy nhiên phạm vi ứng dụng của nó lại bị hạn chế bởi nhiều yếu tố môi
trường. Vì thế việc kết hợp nhiều yếu tố nhằm tăng khả năng ứng dụng luôn được
đầu tư chú ý.
Đối với lĩnh vực tiêm hydrogel vào cơ thể thì nhiệt độ và pH là hai đối tượng
cần quan tâm. Theo nhiệt độ sẽ có hydrogel nhạy nhiệt, theo pH sẽ có hydrogel
nhạy pH. Nếu kết hợp nhiệt độ và pH sẽ có hydrogel nhạy nhiệt/pH.
2.2 Hydrogel nhạy nhiệt
Nhiệt độ là thông số cơ bản, được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực. Nhờ vào
việc dễ dàng kiểm soát nhiệt độ mà hydrogel nhạy nhiệt được nghiên cứu trong môi
trường in vitro và in vivo. Các hydrogel này tồn tại ở dạng dung dịch ở nhiệt độ
thấp và chuyển từ trạng thái sol sang trạng thái gel ở nhiệt độ cao [10].
Trong các khối cầu copolymer (Amphiphilic) sẽ có gốc ưu nước, điển hình là
polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide (PEO) và gốc kị nước như
polypropylene oxide (PPO), polyglycolide (PGA), poly lactide (PLA), poly εcaprolactone (PCL),…Các hydrogel nhạy nhiệt được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh
vực vận chuyển thuốc và kĩ thuật mô tế bào [10].


15

Hình 2.2.1.1.1.1: Cơ chế chuyển pha sol – gel của hydrogel nhạy nhiệt [2].
Hydrophilic block (A) là gốc ưa nước và hydrophobic block (B) là gốc kị
nước.

Hydrogel nhạy nhiệt có hai dạng: ABA và BAB. Ở nhiệt độ thấp, gốc ưa
nước sẽ liên kết với các phân tử nước xung quanh, giúp polymer hòa tan, khi đó gọi
là trạng thái sol. Hình 2.3A hydrogel có dạng ABA. Khi tăng nhiệt độ, mạch
polymer dao động, các gốc kị nước trong mạch polymer kết hợp với nhau nhờ
tương tác kị nước mạnh lên, trong khi liên kết hidro trở nên yếu đi dẫn đến việc tạo
thành quả cầu micelle. Tuy nhiên, do gốc kị nước ở giữa mạch polymer, hai đầu
mạch polymer là gốc ưa nước nên các quả cầu micelle không thể liên kết với nhau.
Ngược lại ở hình 2.3B, hydrogel có dạng BAB. Điều này có nghĩa hai đầu mạch là
gốc kị nước, các gốc kị nước trong một mạch có thể kết hợp với nhau ở cùng một
quả cầu micelle hoặc chúng sẽ kết hợp với gốc kị nước của mạch polymer khác và


16

hình thành hai quả cầu micelle khác nhau. Nhờ gốc ưa nước ở giữa mạch mà tạo ra
cầu nối micelle, nối các quả cầu micelle với nhau thành mạng lưới không gian dày
đặc, tăng độ bền và giúp duy trì ổn định trạng thái gel.

Hình 2.2.1.1.1.2: Quá trình chuyển pha sol – gel của triblock PEG – PLGA –
PEG [10].
Với nồng độ thấp, để dung dịch polymer chuyển từ sol sang gel thì chỉ cần
cung cấp lượng nhiệt nhỏ cho dung dịch polymer. Tuy nhiên, nếu tăng nhiệt độ lên
quá cao sẽ gây nên sự phá vỡ cấu trúc hydrogel. Mặt khác, ở nồng độ cao đòi hỏi
nhiệt độ cung cấp cho sự chuyển pha sol – gel cũng cần tăng cao nhằm giúp cho các
phân tử có thể dao động và liên kết với nhau dễ dàng. Mật độ phân tử lớn sẽ tạo
mạng lưới không gian dày đặc và bền vững nên có thể thấy vùng gel ở nồng độ cao
rộng hơn so với nồng độ thấp.
Quá trình gel hóa của hydrogel nhạy nhiệt phụ thuộc vào tỉ lệ gốc kị
nước/gốc ưa nước, chiều dài của các gốc, khả năng kị nước và độ đồng đều của các
khối kị nước. Ngoài ra các nhóm cuối của copolmer nhạy nhiệt cũng ảnh hưởng lớn

đến quá trình gel hóa (ví dụ tổng hợp PLGA – PEG – PLGA xuất hiện nhóm
hydroxyl, acetyl, propionyl và butanoyl) [4], [10].


17

Sản phẩm hydrogel nhạy nhiệt đã được ứng dụng là PEO – PPO – PEO,
được biết đến là Pluronic (BASF) hay Poloxamer (ICI), sử dụng rộng rãi trong vận
chuyển thuốc. Sự kết hợp nhiều copolymer (muliblock) PEO – PPO – PEO thành
khối đa hợp đã được ứng dụng vận chuyển tế bào gốc lấy từ tủy sống [10]. Tuy
nhiên một số yếu tố như độ bền cơ học kém, khối lượng phân tử thấp, không phân
hủy sinh học, thời gian tồn tại ngắn và độ thẩm thấu cao đã gây cản trở khả năng
ứng dụng của pluronic [10]. Hiện nay, nhằm cải thiện khả năng phân hủy sinh học,
người ta nghiên cứu sử dụng PLA thay cho PPO [11].
2.3 Hydrogel nhạy pH
Hydrogel nhạy pH là dạng cấu trúc gel nhạy với sự thay đổi pH của môi
trường. Bản chất của hydrogel nhạy pH là quá trình trương lên hoặc co lại phụ
thuộc vào pH của môi trường xung quanh. Tốc độ cảm ứng hydrogel phụ thuộc vào
kích thước, hình dạng, mật độ liên kết ngang, số lượng nhóm ion và thành phần cấu
tạo, có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các yếu tố này [7].
Trong tất cả polymer nhạy pH đều có mặt của nhóm acid (acid cacboxylic và
acid sulfonic) hoặc các nhóm base (như muối ammonium) có khả năng cho hoặc
nhận proton để thích ứng được với môi trường pH xung quanh [11].
Có hai dạng hydrogel nhạy pH:
-

Hydrogel

nhạy

pH

loại

cation:

Poly(N,N′-diethylaminoethyl

methacrylate) (PDEAEM), Poly (-amino ester) (PAE),…nhóm này
sẽ xảy ra quá trình ion hóa ở pH thấp (ví dụ PDEAEM hình 2.7).
-

Hydrogel nhạy pH loại anion có một số gốc nhạy được tổng hợp là
Poly(acrylic acid) (PAA), oligomer sulfamethazine (OSM), oligomer
serin (OS),…nhóm này sẽ xảy ra quá trình ion hóa ở pH cao (ví dụ
PAA hình 2.7)


18

Hình 2.3.1.1.1.1: Sơ đồ cơ chế gel hóa thực hiện bởi proton hóa – deproton của
hydrogel nhạy pH loại cation [9].
Hình 2.5 mô tả cơ chế hoạt động của hydrogel nhạy pH loại cation. Đây là
loại hydrogel chứa nhóm mang điện tích dương (+). Đối với pH môi trường thấp,
khi đó sẽ làm tăng điện tích dương (+) trong môi trường, các gốc nhạy pH được ion
hóa, tăng khả năng liên kết với nước nên hydrogel nhạy pH loại cation không gel
hóa ở pH thấp. Ngược lại, ở pH cao, trong môi trường sẽ chứa một lượng lớn điện
tích âm (-), các nhóm mang điện tích âm này sẽ tác dụng với nhóm mang điện tích
dương của hydrogel làm cho hydrogel bị deion hóa, giảm khả năng liên kết với
nước, lúc này hydrogel đã bị gel.

Chuỗi polymer có chứa lượng lớn các nhóm ion được gọi là chuỗi phân giải
điện tích (polyelectrolyte). Các nhóm acid hay base có trên chuỗi phân giải điện tích
sẽ trải qua quá trình ion hóa giống như các monoacid và monobase. Tuy nhiên, quá
trình ion hóa trên chuỗi phân giải điện tích diễn ra khó khăn hơn do còn chịu sự tác
động của lực tương tác tĩnh điện với các ion xung quanh. Điều này gây nên sự khác
biệt về hằng số phân ly (Ka) so với các monoacid hay monobase tương ứng [11].


19

Hydrogel nhạy pH được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển quá trình
vận chuyển thuốc. Ví dụ: Các hydrogel polycation ở dạng semi-IPN đã được sử
dụng để vận chuyển thuốc đến dạ dạy (pH > 3). Semi-IPN nối mạng với chitosan và
PEO và trương lên trong môi trường acid (như dạ dày). Hydrogel trở thành vật liệu
dẫn thuốc lý tưởng cho việc phân phối thuốc kháng sinh, như là amoxicillin và
metronidazole để điều trị Helicobacter pylori trong dạ dày. Ngoài ra, hydrogel nhạy
pH còn được dùng tạo cảm biến sinh học, thường được ứng dụng để tải enzyme khi
có sự thay đổi pH môi trường. Một loại enzyme sử dụng hydrogel nhạy pH là
glucose oxide, chuyển glucose thành acid gluconic [11].
2.4 Hydrogel nhạy nhiệt/pH
Hydrogel nhạy nhiệt mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng, tuy nhiên lại bị
giới hạn bởi các nguyên nhân sau [4]:
-

Polymer nhạy nhiệt tiêm vào trong cơ thể thông qua syringe, khi chạm
đến nhiệt độ sinh lý (37C) thì các polymer bên trong kim sẽ lập tức
bị gel hóa gây khó khăn trong việc tiêm dung dịch polymer vào cơ
thể.

-

Một số nhóm chức cản trở ứng dụng của nguyên liệu, đặc biệt trong
lĩnh vực vận chuyển các ion peptide/protein.

-

Phải mất thời gian hòa tan polymer nhạy nhiệt. Trước khi sử dụng,
polymer nhạy nhiệt sẽ được lưu trữ nhưng trong thời gian này,
polymer phân hủy sinh học sẽ bị phân hủy. Do đó, sự hoàn nguyên lại
dung dịch polymer đang là mối quan tâm đặc biệt.

-

Sự phân hủy các polyester tạo ra các sản phẩm mang tính acid đôi khi
sẽ làm thay đổi pH môi trường xung quanh.

Do đó, sự kết hợp các khối copolymer nhạy nhiệt với các khối nhạy pH tạo
thành hydrogel nhạy nhiệt/pH đã giải quyết được các vấn đề nêu trên [4].


20

Hydrogel nhạy nhiệt/pH có đường cong sol – gel phụ thuộc vào nhóm mang
điện của gốc nhạy pH.

Hình 2.4.1.1.1.1: Sự chuyển pha sol – gel của copolymer cation (A) và
copolymer anion (B) của hydrogel nhạy nhiệt/pH [5].
Gốc nhạy pH phân hủy sinh học được nghiên cứu là oligomer sulfamethazine
(OSM), được gắn với khối nhạy nhiệt triblock poly(-CL-co-LA)-PEG-poly(-CL-co-LA) để tạo thành khối pentablock OSM-PCLA-PEG-PCLA-OSM của
hydrogel nhạy nhiệt/pH [4]. Đầu tiên CL và LA tiến hành trùng hợp mở vòng, sử

dụng PEG làm chất bắt đầu. Sau đó, nhóm cacboxylic của OSM tiến đến gắn với
các nhóm hydroxyl ở hai đầu của khối triblock PCLA-PEG-PCLA có sử dụng
DMAP làm xúc tác [4].