Nghiên cứu chế tạo sợi nano micro từ PVA bằng phương pháp electrospining

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian làm khóa luận tốt nghiệp, em đã được truyền đạt kiến
thức, kỹ năng chuyên mơn cũng như sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của q thầy cơ, gia
đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Hoài Khang người đã dành rất
nhiều thời gian và tâm huyết tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình
làm khóa luận, hỗ trợ mọi điều kiện tốt nhất để em hồn thành tốt khóa luận này.
Thầy ln chia sẻ những kiến thức quý báu không chỉ về chuyên môn mà cả những
kinh nghiệm sống cho chúng em.
Xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quang Khuyến – trưởng bộ môn Vật
Liệu Hữu Cơ cũng như quý thầy cô đang công tác tại Phịng thí nghiệm lầu 5C đã
giúp đỡ, chỉ bảo cho em trong suốt thời gian em học tập tại trường.
Xin cảm ơn toàn thể bạn bè, những người đã gắn bó, giúp đỡ, hỗ trợ mình
trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình.
Nơi đã ni con khơn lớn, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, là chỗ dựa tinh thần vững
vàng nhất cho con bước đi trên đường đời.
Trong q trình thực hiện khóa luận em khơng tránh khỏi những sai sót, rất
mong thầy cơ, anh chị và các bạn thơng cảm và đóng góp ý kiến.

TP. HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2018
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
DNA

Deoxyribonucleic acid

GC

Gas Chromatography

PU

Polyurethane

PVA

Polyvinyl alcohol

PZT

Chì (Pb), Zirconium (Zn) và Titanium (Ti)

RLC

Rối loạn cương

SEM

Scanning electron microscope

w/w

weight/weight


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH


LỜI MỞ ĐẦU
Sự cần thiết của thực hiện nghiên cứu
Hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, vật liệu có kích
thước nano đang được quan tâm nghiên cứu mạnh mẽ nhờ những ứng dụng quan
trọng của chúng trong nhiều lĩnh vực: trong công nghiệp điện tử, năng lượng và môi
trường và đặc biệt hơn là trong lĩnh vực y học mà đề tài này đề cập tới. Nhân loại
đang phải đối mặt với những căn bệnh nguy hiểm như HIV/AIDS, viêm gan, tiêu
đường, và đặc biệt là bệnh ung thư. Trong những năm gần đây, với sự phát triển
vượt bậc của khoa học các nhà nghiên cứu đã tìm ra được những phương thuốc có
khả năng điều trị dứt điểm hoặc khống chế sự phát triển của những căn bệnh trên.
Tuy nhiên bên cạnh những nghiên cứu mới tìm ra phương thuốc đặc trị thì việc xây
dựng phác đồ điều trị bệnh là sử dụng hàm lượng thuốc như thế nào để không gây
quá liều (dẫn đến những tác dụng phụ nguy hiểm) mà vẫn có hiệu quả điều trị tốt.
Từ trước đến nay việc sử dụng thuốc điều trị cho bệnh nhân chủ yếu là uống,
tiêm, hóa trị hay xạ trị, tuy nhiên với cách sử dụng thuốc như thế này thường khơng
kiểm sốt được quá trình phân tán thuốc vào cơ thể. Khi mới đưa dược phẩm vào cơ
thể (uống hoặc tiêm) nồng độ dược phẩm trong máu rất cao, vượt qua ngưỡng thuốc
có tác dụng điều trị, xảy ra hiện tượng nồng độ thuốc trong máu cao nhất thời gây
tác dụng phụ. Sau khi thuốc được đưa vào cơ thể một thời gian, hàm lượng thuốc
trong máu lại hạ xuống quá thấp so với ngưỡng thuốc có tác dụng điều trị gây lãng
phí thuốc. Đây là một trong những khó khăn của y học hiện nay.
Để khắc phục khó khăn trên, các nhà khoa học đã tìm ra các loại vật liệu có
khả năng mang thuốc và nhả thuốc chậm để điều khiển q trình phân tán thuốc vào
cơ thể, ví dụ như các loại hydrogel nhạy cảm nhiệt độ và pH mixel, các loại
polymer thông minh… Đây là những phương pháp phân phối thuốc một cách tự

nhiên và có triển vọng vì nó cho phép phân phối các phần tử hoạt động của thuốc
đầy đủ và hiệu quả.
Tuy nhiên việc sử dụng hydrogel hoặc mixel làm tác nhân mang thu ốc lại
gặp phải một trở ngại lớn đó là q trình đưa thuốc vào mixel thì l ượng thu ốc


nằm trong mixel rất ít, chiếm tỷ lệ tương đối nhỏ, phần cịn lại nằm ngồi mixel dẫn
đến lãng phí thuốc, hoặc phải tốn thêm chi phí chắt lọc để thu hồi thuốc nằm
ngoài mixel. Đối với hydrogel, khi đưa vào cơ thể chỉ có thể cải thiện được lượng
thuốc phân tán vào cơ thể tốt hơn một chút so với phương pháp thơng thường, chứ
khơng hồn tồn kiểm sốt được theo ý muốn vì tốc độ nhả thuốc của hydrogel
tương đối nhanh. Vì vậy câu hỏi được đặt ra là làm thế nào cải thiện được tốc độ
nhả thuốc của hydrogel. Một trong những phương pháp giải quyết vấn đề này là sử
dụng thêm một tác nhân mang thuốc sau đó phối trộn với hydrogel, và ứng viên
sang giá cho việc này là sợi electrospun. Sợi electrospun được chế tạo từ phương
pháp electrospining thường có kích thước từ vài trăm nano đến vài micro, do đó nó
có một số tính chất đặc biệt như diện tích bề mặt rất lớn so với tỷ lệ thể tích, hoạt
tính bề mặt cao… Chính vì những tính chất tuyệt vời này mà sợi electrospun được
xem như là một trong những loại vật liệu tối ưu sử dụng cho nhiều ứng dụng quan
trọng, và chất mang thuốc là một trong số đó.
Để góp phần vào nghiên cứu và triển khai ứng dụng sợi electrspun trong linh
vực y sinh, đề tài này tập trung nghiên cứu chế tạo sợi nano-micro từ PVA bằng
phương pháp electrospining. Với mục đích sử dụng là đưa vào hydrogel nhằm cải
thiện khả năng nhả thuốc của hydrogel.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, khảo sát quá trình tạo sợi nano-micro từ PVA bằng phương pháp
electrospining.
Đối tượng nghiên cứu
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo sợi electrospun: Hàm lượng
PVA C, khoảng cách phun L, hiệu điện thế giữa hai cực U, lưu lượng Q

Hình dạng và kích thước của sợi PVA.
Phạm vi nghiên cứu
Sử sụng PVA để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu trên.
 Các thông số tiên hành tạo hạt:

Nồng độ PVA C: 10%, 12%, 14%


Khoảng cách phun: 10, 15, 20 cm
Điện thế: 28, 30, 32 Kv
Tốc độ bơm: 0.1, 0.2, 0.3 mL/h.
Phương pháp nghiên cứu
 Các phương pháp thí nghiệm:

Chế tạo sợi nano-micro từ PVA bằng phương pháp electrospining.
 Các phương pháp phân tích:

Phân tích hình dạng và kích thước thơng qua thiết bị kính hiển vi quang học
điện trường quét SEM.
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Đề tài này đưa ra một phương pháp mới đề chế tạo sợi nano - micro với thiết
bị và quy trình khá đơn giản. Sợi thu được có thể khắc phục một số nhược điểm mà
những phương pháp truyền thống mắc phải. Đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng
trong quá trình phun tạo sợi, khảo sát được giá trị tốt nhất để tiến hành tạo sợi.
Ngoài ra, đề tài cũng đánh giá được hình dáng và kích thước sợi PVA.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Với sự nguy hiểm và xuất hiện ngày nhiều của bệnh tiểu đường, cùng với giá
của một số loại thuốc trên thị trường là rất mắc thì việc nghiên cứu các phương
pháp để cải tiến hiệu quả của việc sử dụng hiệu quả thuốc là hết sức cần thiết. Đề tài
này mở ra một hướng mới để cải thiện khả năng nhả thuốc hiệu quả hơn so với

truyền thống, hứa hẹn mang lại một phương pháp hữu hiệu để sử dụng thuốc trong
điều trị bệnh tiểu đường.


Khóa luận tốt nghiệp

9

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Tổng quan về phương pháp Electrospinning
1.1.1 Lịch sử hình thành

Hình 1.1. Mơ phỏng phương pháp Electrospinning điển hình [7,11].
Electrospinning là công nghệ sản xuất vật liệu nano polymer, là một kĩ thuật
kéo sợi từ polymer dung dịch hoặc polymer nóng chảy bằng cách sử dụng lực tĩnh
điện (điện trường). Electrospinning là một phương pháp đơn giản và hiệu quả cho
phép tạo ra sợi nano với đường kính khác nhau (khoảng 3 nm đến 5 μm) từ dung
dịch polymer. Năm 1934, Formalas đã giới thiệu về hoạt động của hệ thống
electrospinning giúp sản xuất sợi tơ polymer bằng cách tận dụng lực đẩy tĩnh điện
của các điện tích bề mặt. Đến năm 1993, kỹ thuật này được gọi là “electrostatic
spinning” và có khá ít ấn phẩm liên quan đến việc tạo sợi nano bằng phương pháp
electrospinning.

Bảng 1.1. Lịch sử của kỹ thuật Electrospinning [6]

Khóa luận tốt nghiệp

Năm
1914

Tác giả
Zeleny

1934

Formalas

1981

Larrondo và Manley

1996

Reneker và Chun

2005

Jirsak, Sanetrník, Lukás,
Kotek và Marinová

10

GVHD: ThS. Trần Hoài Khang

Thành tựu

Người đầu tiên phát hiện sự kéo sợi dung
dịch polymer trong điện trường
Phát minh đầu tiên về quá trình
electrospinning
Nghiên cứu quá trình electrospinning sử
dụng polymer nóng chảy
Chứng minh q trình electrospinning có
khả năng áp dụng cho nhiều loại polymer
khác nhau
Kỹ thuật nanospider

Năm 2010, J. Miao, M. Miyauchi, T. J. Simmons, J. S. Dordick, and R. J.
Linhardt đã có bài báo tổng quan về ứng dụng của phương pháp electrospinning
trong việc chế tạo vật liệu cấu trúc nano trong các lĩnh vực khác nhau như: cảm
biến, pin mặt trời, vật liệu phát quang, pin nhiên liệu, siêu tụ,...Năm 2010, D. Gao
và cộng sự đã sử dụng phương pháp phun điện chế tạo được các sợi TiO 2 có tính
quang xúc tác mạnh. Năm 2010, nhóm của X. Chen đã chế tạo được thiết bị phát
điện có điện áp 1.63 V, cơng suất 0.03 µW, sử dụng tấm áp điện gồm các sợi PZT
nano đường kính 60 nm dài 500 µm chế tạo bằng phương pháp electrospinning [6].
1.1.2 Hệ thống Electrospinning
Phương pháp được sử dụng để kéo sợi vào trong điện trường là sử dụng bề
mặt của một điện cực hình trụ có điện tích. Dòng điện làm cho đầu phun bị nhiễm
điện, dung dịch qua đầu phun bị nhiễm điện theo và dung dịch polymer phun ra
chuyển động theo chiều của điện trường. Điện tích tạo ra lực tĩnh điện bên trong
giọt, gọi là lực Coulomb cạnh tranh với lực kết dính nội tại của giọt. Khi áp lực
Coulomb vượt qua được lực kết dính của giọt biểu hiện trong sự căng bề mặt, các
phần tử trên bề mặt giọt sẽ bị đẩy ra kéo dài thành sợi liên tục hướng về collector.
Do đó phương pháp này cần xi-lanh, mao mạch, vòi phun và kim. Những ưu điểm
chính của cơng nghệ này là: sản xuất hàng loạt liên tục, năng xuất sản xuất cao và
dễ bảo dưỡng [10,12].

Hệ thống Electrospinning gồm 3 bộ phận chính: Máy tạo điện thế được dùng
để tạo ra điện trường giữa đầu kim vào collector, tùy theo từng loại máy mà điện áp


Khóa luận tốt nghiệp

11

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

có thể đạt đến 50 kV; Collector đóng vai trị là một cực của điện trường và là đế
hứng mẫu để thu lấy sản phẩm. Thông thường, collector là tấm nhôm nhưng tùy
theo ứng dụng của sản phẩm mà collector có nhiều dạng khác nhau như dạng trống,
dạng đĩa, trục xoay,…; Hệ thống phun gồm ống tiêm, kim tiêm và bơm vi lượng
[12].

Hình 1.2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống Electrospinning [10].
Hình thái và đường kính sợi tạo thành bị ảnh hưởng bởi nhiều thơng số của
-

q trình Electrospinning gồm:
Tính chất của dung dịch polymer: loại dung môi, nồng độ polymer, khối lượng phân

-

tử, độ dẫn điện, độ nhớt, sức căng bề mặt,…
Các thơng số của q trình: điện áp, khoảng cách từ đầu kim đến collector, tốc độ

-

dòng,…
Các điều kiện xung quanh: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc khơng khí,… nhưng các yếu tố
này khơng có ảnh hưởng lớn.
Phương pháp Electrospinning có ưu điểm: tạo được sợi có kích thước nhỏ và
tốc độ tạo sợi nhanh nên hiệu suất tạo sợi cao, không cần loại bỏ dung môi, tạp chất
và chi phí thấp. Với nhiều ưu điểm nên sợi nano polymer tạo ra bằng phương pháp
này nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Mặt nạ mỹ phẩm; Làm sạch da, làm
lành da, chữa bệnh ngoài da; Ứng dụng trong y dược học: Dẫn truyền thuốc, băng
bó vết thương và cầm máu; Kỹ thuật mô – xương; Đồ bảo vệ trong quân đội; Cảm


Khóa luận tốt nghiệp

12

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

biến nano; Màng lọc. Tuy nhiên, q trình này có nhược điểm là đòi hỏi phải khảo
sát nhiều điều kiện ảnh hưởng đến quá trình Electrospinning để thu được sợi nano

-

đồng nhất và có kích thước đồng đều [12].
Các điều kiện cần thiết của phương pháp Electrospinning:
Dung mơi thích hợp để polymer có thể hịa tan hồn tồn.
Áp suất hơi của dung mơi phải thích hợp để nó bay hơi nhanh giúp cho sợi giữ
nguyên được bản chất của nó nhưng cũng bay hơi không quá nhanh để sợi không bị

-

cứng lại trước khi nó đạt kích thước nano.
Độ nhớt và sức căng bề mặt của dung môi không quá lớn ngăn cản hình thành tia

-

nhựa, nhưng cũng khơng q nhỏ để cho dung dịch polymer chảy ra hết khỏi kim.
Việc cung cấp năng lượng (điện trường) cần được đầy đủ để đạt được độ nhớt và
sức căng bề mặt của dung dịch polymer một cách tốt nhất giúp cho việc hình thành

-

và duy trì tia nhựa từ kim phun.
Khoảng cách giữa kim phun và collector khơng nên q nhỏ gây phóng điện, nhưng
phải đủ lớn để cho dung môi bay hơi trong quá trình sợi được hình thành.
Đây là một phương pháp tạo sợi đơn giản nhất, dễ dàng nhất, và kĩ thuật này
hiện nay là kĩ thuật được sử dụng nhiều nhất trong việc chế tạo sợi nano polymer.
Sợi nano-micro có hoạt tính bề mặt cao, cơ tính tuyệt vời so với những dạng vật liệu
thơng thường. Chính vì vậy sợi nano-micro và các lớp nano được sử dụng trong
nhiều ứng dụng ngày nay [10,12].
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo sợi nano electrospun
1.2.1 Dung dịch polymer
1.2.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ
Hầu hết các dữ liệu được công bố liên quan đến hệ polymer/ dung môi cụ
thể, và thường được giới hạn bởi trọng lượng phân tử trung bình của polymer. Kết
luận rằng khi tăng nồng độ polymer thì đường kính sợi tăng.
Độ nhớt thay đổi thì đường kính sợi sẽ thay đổi (Jun và cộng sự năm 2003).
Điều chỉnh độ nhớt dung dịch bằng cách thay đổi nồng độ polymer, thay đổi thành
phần dung môi ở nồng độ khơng đổi của polymer cũng có thể được sử dụng cho
mục đích này.
Nồng độ dung dịch cao sẽ có xu hướng tạo hạt trên sợi. Tuy nhiên, nồng độ

quá cao, có thể dẫn đến thực tế khó khăn (như tắc nghẽn đầu phun) trong
Electrospinning. Dung dịch với nồng độ chất rắn cao có thể khơng chỉ cản trở việc


Khóa luận tốt nghiệp

13

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

q trình hình thành sợi, hình thành sợi nano dày hơn, nhưng cũng có thể làm cho
nó khó bơm dung dịch polymer do độ nhớt cao[5].
1.2.1.2 Hệ dung mơi
Bốn đặc tính quan trọng của các dung mơi ảnh hưởng được đặc tính dung
dịch trong electrospinning: Độ dẫn điện, sức căng bề mặt, tính chất điện mơi, tính
dễ bay hơi [23].
a. Điện dẫn xuất
Dung mơi dẫn điện cao mang lại sợi nano có đường kính trung bình nhỏ
hơn. Dung mơi khơng dẫn điện có thể không thực hiện được phương pháp. Dung
môi thường được sử dụng trong phương pháp có độ dẫn điện thấp hơn nhiều so với
nước chưng cất. Nồng độ polymer tăng trong dung dịch, độ dẫn điện có thể giảm
(Jun và cộng sự năm 2003). Nếu trong polymer ít tạp chất, tuy nhiên trường hợp
polymer tự xúc tác quá trình ion hóa như với polyelectrolytes, dung mơi sẽ dẫn điện
cao hơn nhiều và phụ thuộc vào nồng độ [23].
b. Độ bay hơi

Độ bay hơi ảnh hưởng đến q trình khơ của sợi và hình thái sản phẩm thu
được.
Dung mơi bay hơi chậm, đến collector các sợi vẫn còn ướt, các sợi hình
thành trên collector sẽ kết dính lại với nhau tạo thành lưới khơng dệt như hình 1.3.

Dung mơi bay hơi q nhanh có thể khơng kịp hình thành sợi, nhựa đơng tại đầu
đùn, nghẽn dịng chảy [23].

Hình 1.3 Sản phẩm từ dung dịch PCL 4wt% trong CHCl3 [23].


Khóa luận tốt nghiệp

14

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Mơi trường
Mơi trường khí thực hiện electrospinning cũng ảnh hưởng khơng kém đến

1.2.2

đường kính sợi, hình thái sợi. Mơi trường ảnh hưởng đến sự bay hơi của dung môi.
Muốn dung môi bay hơi nhanh ta có thể tạo mơi trường khí nóng khi thực
nghiệm. Để dung dịch không bị đông tại đầu phun, ta có thể thổi hơi dung mơi của
dung dịch polymer tương ứng tại đầu phun để tăng mật độ hơi dung môi tại đầu
phun, làm giảm sự bay hơi tại đầu phun. Tránh sự đông của dung dịch [23].
1.2.3 Điện áp áp đặt
Là điện áp cung cấp điện tích bề mặt cho các tia nhựa. Tạo lực đẩy colomb
để kéo dung dịch thành sợi. Điện áp càng lớn lực kéo colomb càng cao, sợi hình
thành đường kính càng nhỏ. Tốc độ di chuyển của dịng nhựa tăng, ta có thể tăng
năng suất kéo sợi.
Tuy nhiên nếu lưu lượng vẫn giữ nguyên ở mức thấp, tăng điện áp lên quá
cao thì hình nón của Taylor thối lùi vào kim tiêm và kéo sợi xảy ra từ bên trong
kim. Các sợi nano được hình thành khơng đồng đều, sự bất ổn định của hình nón

Taylor cũng có thể dẫn đến những thay đổi đường kính d (nm). Nếu khoảng cách
ngắn nhưng điện áp cao quá làm vận tốc của tia nhựa nhanh, dung mơi sẽ khơng đủ
thời gian để bay hơi hồn tồn ảnh hưởng đến hình thái sản phẩm.
Do đó điều chỉnh điện áp cao ta cũng phải điều chỉnh các thông số khác cho
phù hợp để sản phẩm đạt kết quả mong muốn [23].
1.2.4 Tốc độ cấp liệu
Là tốc độ cần thiết để cung cấp lượng dung dịch polymer bổ sung cho nón
Taylor. Trường hợp lý tưởng là lượng cung cấp bằng với lượng dung dịch bị kéo ra
khỏi nón. Tốc độ nhập liệu phải đều sợi nano sẽ có đường kính liên tục đồng nhất
thu được trong điều kiện xác định. Lượng cung cấp thấp hơn lượng kéo ra thì hình
nón của Taylor bị cạn kiệt (hình nón thậm chí lùi vào kim trong một số trường hợp)
gây đứt quãng dòng, nhưng lượng cung cấp ở mức cao sẽ làm đường kính sợi tăng
lên [23].
Kim phun
Đầu mao dẫn phải thiết kế với đường kính thích hợp. Nếu nhỏ quá sẽ làm tắt

1.2.5

nghẽn dịng do dung mơi bay hơi làm polymer đơng ở đầu mao mạch. Nếu lớn q,
nón Taylor lớn sợi sẽ to.


Khóa luận tốt nghiệp

15

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Mao mạch có đường kính nhỏ hơn thì sợi tạo thành có đường kính nhỏ hơn.
Tuy nhiên, bơm một chất lỏng nhớt thơng qua một kim có đường kính nhỏ có thể

khơng thực hiện được [23].
1.2.6 Khoảng cách từ đầu kim đến collector
Là khoảng cách cần thiết để sợi được kéo nhỏ, và đủ thời gian để dung môi
bay hơi trước khi đến collector.
Khoảng cách này cịn tùy thuộc vào các thơng số như: Hiệu điện thế, lưu
lượng. Nếu các thông số khác giữ khơng đổi, khoảng cách L càng lớn thì sợi thu
được càng nhỏ, và các sợi khơng bị dính liền. Tuy nhiên nếu lớn q thì khơng kéo
sợi được, do cường độ điện trường E giảm khi tăng khoảng cách L, không đủ lực
kéo để thắng sức căng bề mặt [23].
1.3
Ứng dụng của sợi nano electrospun
1.3.1 Lĩnh vực y - sinh học
1.3.1.1 Phân tách, chọn lọc tế bào
Trong y – sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh
học nào đó ra khỏi mơi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc
cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng nano từ tính là một trong những
phương pháp được sử dụng.
Với nguyên tắc tương tự như phân tách tế bào, nano từ tính được dùng để
phân tách DNA. Nano từ tính chức năng hóa amino được sử dụng để tách ADN của
siêu vi Herpes gây bệnh ngoài da và bệnh đường sinh dục. Đây là một phương pháp
có thể sử dụng để mở rộng xác định sự có mặt của nhiều loại siêu vi khác như siêu
vi cúm gia cầm [12].

Hình 1.4 Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường sử dụng bốn nam châm tạo ra
gradient từ trường xuyên tâm [9].
1.3.1.2 Dẫn truyền thuốc


Khóa luận tốt nghiệp

16

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Thuốc khi uống vào cơ thể, nó sẽ được hấp thụ qua màng ruột vào các nơi bị
bệnh. Sau một khoảng thời gian uống, thuốc tan, lượng thuốc vào cơ thể không đều
theo từng giai đoạn: khoản thời gian đầu lượng thuốc đi vào cơ thể nhiều đến mức
khơng cần thiết có thể gây phản ứng phụ, khoảng thời gian sau lượng thuốc cung
cấp lại thiếu, hoặc lượng thuốc phân tán vào các vị trí khơng bị bệnh.
Để khắc phục vấn đề trên các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo thành
cơng những vật liệu có khả năng mang và phân phối thuốc đó là hydrogel và mixel,
sự ra đời của các loại vật liệu này đã cải thiện được khả năng phân phối thuốc trong
quá trình điều trị. Tuy nhiên, nó vẫn cịn tồn tại một khó khăn đó là rất khó điều
khiển hàm lượng thuốc đưa vào các loại vật liệu này và tốc độ nhả thuốc của nó. Ví
dụ, khi phối trộn thuốc vào mixel thì hàm lượng thuốc nằm trong mixel rất ít, phần
lớn là nằm bên ngồi do đó phải tốn thêm chi phí thu hồi thuốc. Đối với hydrogel
mặc dù không gặp vấn đề giống mixel nhưng nó lại gặp vấn đề khác đó là tốc độ
nhả thuốc q nhanh.
Chính vì lý do đó hiện nay các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu cải
thiện bằng cách sử dụng sợi nano polymer có khả năng mang thuốc. Thành phần
của thuốc được trộn với dung dịch polymer và được kéo thành sợi bằng phương
pháp electrospinning. Có thể xem xét cơ chế phát tán của thuốc từ sợi nano
electropun dựa trên quang phổ UV.


Khóa luận tốt nghiệp

17

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Hình 1.5 Cơ chế nhả thuốc và hiệu quả sử dụng chất mang thuốc .

1.3.1.3 Mô kỹ thuật

Các nghiên cứu trong lĩnh vực này đều nhằm mục đích phục hồi, bảo tồn
hoặc tăng cường chức năng mô đồng thời thay thế các cơ quan, mô bị tổn thương,
khiếm khuyết hoặc bị mất do tai nạn hay một bệnh nào đó.
Cơng nghê nano có thể giúp cơ thể tái sản xuất hoặc sửa chữa các mơ bị hư
hỏng. Phương pháp này kiểm sốt nước mất do bay hơi, thẩm thấu dưỡng khí tuyệt
vời và khả năng thăng thoát nước do các sợi nano với độ xốp và đặc tính vốn có [9].

Hình 1.6 Băng y tế [9].
1.3.1.4 Cấu trúc khung (Scaffold)

Scaffold là khuôn để tế bào tương tác và hình thành khung ngồi bào phục vụ
cho việc tạo thành cấu trúc mơ mới. Vì vậy, scaffold phải có các chức năng chính
đưa các tế bào vào các vị trí mong muốn trong cơ thể bệnh nhân, kích thích tương
tác giữa tế bào – vật liệu sinh học, tăng cường sự bám dính tế bào, cho phép vận
chuyển đầy đủ oxygen, chất dinh dưỡng và các nhân tố tăng trưởng đề đảm bảo tế
bào tồn tại, tăng sinh và biệt hóa, kiểm sốt cấu trúc và chức năng của mô được tạo
ra. Tế bào được đưa vào scaffold, sau đó cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân bằng cách


Khóa luận tốt nghiệp

18

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

tiêm trực tiếp hoặc cấy mơ vào vị trí mong muốn trên cơ thể người bệnh bằng
phương pháp phẫu thuật [8].

Hình 1.7 Tái tạo tai người từ cấu trúc khung (Scaffold)[8].

Hình 1.8 Hình chụp xương hàm bị vỡ và mô thay thế được tạo ra từ công nghệ in
3D [8].
1.3.1.5 Điều trị tổn thương tim

Khi cơ thể bị một tổn thương thì sẽ có một lượng lớn yếu tố tăng trưởng quy
tụ về đẩy mạnh việc phân bào ở vùng tổn thương, giúp cho tổn thương hồi phục.
Các phân tử này tự kết lại với nhau thành các sợi thớ nano mỏng, dài trải ra trên
vùng bị tổn thương, hồi phục các tổn thương.
Điều kỳ diệu của kỹ thuật này là ở chỗ tạo ra “màng lưới” để các tế bào mới
“đan” vào đó thành “tấm thảm mới” thay cho “tấm thảm cũ” bị hư hỏng [9].

1.3.1.6 Điều trị rối loạn cương


Khóa luận tốt nghiệp

19

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Bệnh rối loạn cương thường gặp ở người tuổi cao và thường có bệnh tim
mạch đi kèm nên tác dụng phụ gây trở ngại cho người muốn dùng thuốc. Thêm nữa
thời gian bắt đầu có hiệu lực chậm khoảng 30 phút đến 1 giờ, sự chờ đợi đó làm mất
đi hứng thú tình dục. Trường Y khoa Einstein, thuộc Đại học Y khoa Yeshiva phát
triển một dạng thuốc nano dùng ngoài gồm nano bao bọc lấy chất NO (dạng 1);

hoặc nano bao bọc chất NO + thuốc RLC cialis (dạng 2) hoặc nano bọc lấy chất NO
+ thuốc RLC sialopin (dạng 3): Thời gian bắt đầu có hiệu lực của cả 3 dạng thuốc
chỉ là ít phút thỏa mãn kịp thời hứng thú tình dục [9].
1.4 Tổng quan về hóa chất
1.4.1 Polyvinyl alcohol (PVA)
Polyvinyl alcohol (PVA) là polymer duy nhất không được tổng hợp bằng
phản ứng polymer hóa từ monomer vì vinyl alcohol khơng bền và dễ chuyển thành
acetaldehyde. Vì vậy, PVA được tạo ra từ quá trình thuỷ phân polyvinyl acetate. Ở
nhiệt độ thường PVA là chất rắn vơ định hình, khi đun nóng PVA bị mềm hóa, có
thể kéo dài như cao su và khi đó nó sẽ kết tinh.

Hình 1.9 Cơng thức cấu tạo PVA [13].
Sợi PVA có độ co giãn dưới tải thấp và có độ chịu tải cao, nhờ đó chúng có
sức bền. Chúng đem lại cho vật liệu tổng hợp sức chịu bền va đập và chịu tải cao.
Sợi PVA cứng và chịu mài mòn tốt. Trọng lượng riêng của PVA là 1,3 g/cm 3, bằng
một nửa sợi thủy tinh hoặc amiang trắng. Sợi PVA được chế tạo dưới dạng liên tục
hoặc đứt đoạn hoặc.
Polyvinyl alcohol (PVA) là polyme tổng hợp hòa tan trong nước, dễ tạo
màng, không độc, chịu dầu mỡ và dung môi. PVA được sử dụng rộng rãi vì tính chất
lý hóa tốt, chất lượng kết dính tuyệt vời, độ bền kéo cao, và đặc tính tạo màng đặc


Khóa luận tốt nghiệp

20

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

biệt. Nó có nhiều ứng dụng quan trọng như trong tạo màng, y học, tái chế polymer
và bao bì...[22].

Bảng 1.2. Tính chất của PVA [13]
Dạng
Màu sắc
Tỉ trọng riêng
Thể tích riêng, in3/lb
Nhiệt dung riêng, cal/g/oC
Độ dãn dài, màng đã dẻo hóa, %
Độ bền kéo, khơ, chưa dẻo hóa, psi
Độ cứng, đã dẻo hóa, shore
Ảnh hưởng của ánh sáng
Ảnh hưởng của acid mạnh
Ảnh hưởng của kiềm mạnh
Ảnh hưởng của acid yếu
Ảnh hưởng của kiềm yếu
Ảnh hưởng của dung môi hữu cơ

Bột
Trắng tới kem
1,27 – 1,31
22,9 – 21,1
0,4
Dưới 600
Dưới 22000
10 – 1000
Khơng ảnh hưởng
Hịa tan hoặc phân hủy
Chảy mềm hoặc hòa tan
Chảy mềm hoặc hòa tan
Chảy mềm hoặc hịa tan
Khơng ảnh hưởng

Khả năng tan của PVA phụ thuộc vào độ trùng hợp, độ thủy phân, nhiệt độ và
nhiệt độ xử lí nhiệt…Tiến trình tan của PVA bắt đầu từ sự trương như tất cả các
polymer khác.
Độ nhớt của dung dịch PVA tăng theo thời gian lưu trữ. Nồng độ dung dịch
càng lớn, sự gia tăng độ nhớt theo thời gian càng mạnh. Mặt khác, dung dịch PVA
với độ thủy phân cao và khối lượng phân tử lớn cũng làm tăng độ nhớt. Sự tăng độ
nhớt này phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thấp có thể làm tăng nhanh hơn. PVA
thủy phân hồn tồn có độ nhớt bền. Các muối hữu cơ, ure hoặc các alcol béo được
thêm vào dung dịch PVA thủy phân hoàn toàn đóng vai trị như chất ổn định độ nhớt
[13].
So với các loại nhựa, độ bền kéo của PVA cao và so với các loại vật liệu tan
trong nước khác thì nó khá nổi bật. Độ bền kéo của PVA thay đổi theo một số yếu tố
như phần trăm thủy phân (hình 1.20), độ trùng hợp, hàm lượng chất dẻo hóa và độ
ẩm [13].


Khóa luận tốt nghiệp

21

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Hình 1.10 Mối quan hệ giữa độ bền kéo và % thủy phân đối với màng PVA khơng
dẻo hóa [13].
Giống như các polyglycol khác, PVA tham gia phản ứng hóa học ở nhóm
hydroxyl (–OH) bậc 2 như phản ứng acetyl hóa, phản ứng ester hóa, phản ứng ether
hóa, phản ứng tạo phức với các kim loại chuyển tiếp, phản ứng tạo nhánh. Sự tạo
thành liên kết ngang (cross-linking) do phản ứng hóa học với một số hợp chất có 2
nhóm chức như glutaraldehyde, oxalic acid, polyacrolein,… và sự tạo thành liên kết

ngang dưới tác dụng của nhiệt độ làm tăng khả năng chịu nước và tính chất cơ học
của PVA [9].
PVA được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp dệt may và trong công nghiệp
xây dựng (phụ gia xi măng, vữa, keo công nghiệp,…). Trong ngành cơng nghiệp
hóa chất, PVA được sử dụng như là một tác nhân chuyển thể polymer và được sử
dụng để sản xuất PVA, PVA acetal và PVA butyral.Ngoài ra, PVA còn được dùng


Khóa luận tốt nghiệp

22

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

làm chất kết dính trong cơng nghiệp gỗ và giấy. Bên cạnh đó, PVA còn là thành
phần trong mỹ phẫm, gốm sứ và điện tử.
Đặc biệt, hydrogel PVA có nhiều tính chất có lợi như khơng gây độc, khơng
gây ung thư, có tính kết dính sinh học,… nên PVA là vật liệu sinh học nhiều ứng
dụng quan trọng trong kỹ thuật y sinh và dược phẩm. Hơn nữa, gel PVA có tính
trương nở cao trong nước, dịch cơ thể và tính đàn hồi như cao su nên có khả năng
mơ phỏng mơ tự nhiên để đưa vào trong cơ thể. PVA gel được sử dụng để làm kính
sát trịng, màng tim nhân tạo và ứng dụng dẫn truyền thuốc [8].


Khóa luận tốt nghiệp

23

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1
-

Mục tiêu của thí nghiệm
Nghiên cứu chế tạo sợi Nano-Micro từ PVA bằng phương pháp Electrospinning.
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch PVA đến khả năng tạo sợi.
Khảo sát ảnh hưởng của cường độ điện trường đến hình thái sợi.
Khảo sát ảnh hưởng của khoảng cách giữa bản thu sợi và đầu kim đến hình thái

sợi.
- Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng bơm đến hình thái sợi.
- Kiểm tra đánh giá hình thái bề mặt và kích thước sợi bằng SEM.
2.2 Dụng cụ, hóa chất, thiết bị
2.2.1 Dụng cụ
- Bình định mức 50 mL, 100 mL.
- Pipet vạch 10 mL, Pipet bầu 10 mL.
- Becher 50 mL, 100 mL.
- Ống đong, đũa thủy tinh.
- Ống tiêm 50 mL và đầu kim tiêm.
- Lọ đựng mẫu.
- Cân định lượng Ohaus 4 số lẻ.
- Máy khuấy từ gia nhiệt Schott.
- Bể siêu âm Model TP, Grant.
- Bơm tiêm điện B.Braun Perfusor Compact– Đức.
- Máy tạo điện thế.
2.2.2 Hóa chất
- PVA (Polyvinyl alcohol)
- Nước cất

2.2.3

Hệ thống Electrospinning


Khóa luận tốt nghiệp

24

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Hình 2.1 Hệ thống Electrospinning.

Hình 2.2 Ống tiêm và kim tiêm sử dụng trong thí nghiệm.
Hệ thống electrospinning gồm 3 bộ phận chính:
- Máy tạo điện áp: là phần quan trọng nhất của thiết bị, được dùng để tạo ra
điện trường giữa collector và đầu kim. Điện áp lối ra có thể điều chỉnh được từ 0
đến 40 KV. Trên cơ sở cao áp của máy thu hình, chúng tơi đã thiết kế sử dụng cho
thiết bị phun điện.


Khóa luận tốt nghiệp

25

GVHD: ThS. Trần Hồi Khang

Hình 2 3 Máy tạo điện thế.
- Collector: là đế hứng mẫu để thu lấy sản phẩm, có vai trị là một cực của
điện trường. Collector làm bằng miếng nhơm trịn có diện tích khoảng 15 cm2 .

Hình 2.4 Collector thu sản phẩm.
- Hệ thống phun gồm ống tiêm, kim tiêm và bơm tiêm điện B.Braun. Dung
dịch polymer được nạp vào một ống tiêm (xilanh 50 mL) nối với một kim phun
bằng thép không rỉ thông qua ống mao dẫn. Dung dịch được bơm qua vịi phun ở
tốc độ khơng đổi bằng cách sử dụng bơm tiêm điện B.Braun. Phần bơm tiêm là
quan trọng nhất, nó cho phép chúng ta thay đổi chính xác, ổn định tốc độ phun dung