Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polymen phân huỷ sinh học trên cơ sở polylactic axit (PLA), polyglycolic (PGA) và các sản phẩm đồng trùng ngưng của chúng

Đề tài Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polymen phân huỷ sinh học trên cơ sở polylactic axit (PLA), polyglycolic (PGA) và các sản phẩm đồng trùng ngưng của chúng Thuộc : Chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước KC.02 : Chương trình nghiên cứu khoa học & phát triển công nghệ vật liệu mới

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỔNG CÔNG TY HÓA CHẤT VIỆT NAM

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC-02

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

“Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polylactic axit (PLA), polyglycolic axit (PGA) và các sản phẩm đồng trùng ngưng của chúng”

MÃ SỐ: KC.02.03/ 06-10

Cơ quan chủ trì đề tài: VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Chủ nhiệm đề tài : PGS.TS PHẠM THẾ TRINH

7856

08/4/2010

Hà Nội -6/ 2009

VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP

VIỆT NAM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà nội, ngày 10 tháng 07 năm 2009

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở

polylactic axit (PLA), polyglycolic axit (PGA) và các sản phẩm đồng trùng ngưng của chúng”

Mã số đề tài : KC.02.03/06-10

Thuộc: Chương trình KH&CN trọng điểm cấp nhà nước KC.02

- Chương trình: Chương trình nghiên cứu khoa học & phát triển công nghệ vật liệu mới

Mã số: KC.02.03/06-10

2 Chủ nhiệm đề tài:

Họ và tên: Phạm Thế Trinh

Ngày, tháng, năm sinh: 11-10-1951 Nam/ Nữ: nam

Học hàm, học vị: Phó giáo sư – Tiến sĩ

Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên chính Chức vụ: Phó viện trưởng

Điện thoại: Tổ chức: 0439330009 Nhà riêng: 0437752531 Mobile: 0913364222 Fax: 0438372303 E-mail: phamthetrinh@yahoo.com

Tên tổ chức đang công tác: VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Địa chỉ tổ chức: Số 2- Phạm Ngũ Lão – Hoàn Kiếm – Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: Ngõ 146, số 5 Phố chùa Láng – Đống Đa – Hà Nội

Địa chỉ: Số 2- Phạm Ngũ Lão – Hoàn Kiếm – Hà Nội

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: PGS.TS Mai Ngọc Chúc

Số tài khoản: 93101020

Ngân hàng: Kho bạc nhà nước Tây Hồ - Hà Nội

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ khoa học và Công nghệ

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện đề tài:

- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ 1 tháng 4/ năm 2007 đến 30 tháng 06/ năm 2009

- Thực tế thực hiện: từ 1 tháng 4/ năm 2007 đến 30 tháng 06/ năm 2009

- Được gia hạn (nếu có): Không gia hạn

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Ghi chú

(Số đề nghị quyết toán)

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn,

phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn

bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Tham gia NC tổng quan và gia công vật liệu

01 báo cáo tổng quan

01 quy trình gia công vật liệu

Tham gia tư vấn và thực nghiệm

Tư vấn về công nghệ chế tạo và tổng hợp vật liệu PLA, PGA và PLGA

Sản xuất thử 2,5 kg vật liệu làm chỉ khâu

25 kg hạt nhựa và 1000 bao túi

Thực phẩm

Lên men tổng hơp axit lactic, tinh chế

Axit L-lactic hàm lượng đạt > 85%

Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Lên men tổng hơp axit lactic, tinh chế

Axit L-lactic hàm lượng đạt > 85%

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 Phạm Thế Trinh Phạm Thế Trinh Chỉ đạo chung

thực hiện đề tài Báo cáo tổng hợp đề tài

2 Đỗ Quang

Kháng

Đỗ Quang Kháng

Tổng quan tài liệu

Báo cáo tổng quan

Tổng hợp 03 loại vật liệu PLA, PGA và PLGA

6

Vũ Thu Hà Vũ Thu Hà

Phân tích sản phẩm Các kết quả phân tích

7

Lê Thị Thu Hà Lê Thị Thu Hà

Tham gia tổng hợp vật liệu

Tổng hợp 03 loại vật liệu PLA, PGA và PLGA

8

Hà Đại Phong Nguyễn Thị

Hường Hảo

Tham gia tổng hợp vật liệu Tổng hợp 03 loại vật liệu

PLA, PGA và PLGA

9 Lê Hồng Bích Nguyễn Thị Thu Phân tích sản

phẩm Các kết quả phân tích

10

Ngô Trịnh Tùng Hà Đại Phong

Tham gia tổng hợp vật liệu

Tổng hợp 03 loại vật liệu PLA, PGA và PLGA

11 Lương Như Hải Lê Hồng Bích Phân tích sản

phẩm Các kết quả phân tích

12

Dương Văn Hợp Ngô Trịnh Tùng

Tham gia tổng hợp vật liệu

Tổng hợp 03 loại vật liệu PLA, PGA và PLGA

13 Nguyễn Thế

Hữu Lương Như Hải

Tham gia tổng hợp vật liệu Tổng hợp 03 loại vật liệu

PLA, PGA và PLGA

14 Vũ Thị Thuận Lên men tổng

hợp axit lactic Sản phẩm axit lactic > 85%

15 Dương Văn Hợp Lên men tổng

hợp axit lactic

Sản phẩm axit lactic > 85%

Hữu

Phân tích sản phẩm Các kết quả phân tích

17

Đỗ Văn Hùng

Phân tích sản phẩm tổng hợp Các kết quả phân tích sản

phẩm PLA, PGA và PLGA

Phương Hà

Phân tích sản phẩm lên mên

Các kết quả phân tích sản phẩm axit lactic

19

Đỗ Hưng

Phân tích sản phẩm lên mên Các kết quả phân tích sản

phẩm axit lactic

- Lý do thay đổi ( nếu có):

1 Trao đổi thông tin, học tập kinh

nghiệm về polyme phân hủy sinh

+ Viện hóa cao phân tử - Đại học

tổng hợp kyc thuật Dresden

Kinh phí: 70 triệu đồng

Số đoàn: 01

Số người tham gia: 02

Trao đổi thông tin, học tập kinh nghiệm về polyme phân hủy sinh học

Thời gian 9/09/2008 đến 20/09/2008

Tên tổ chức hợp tác:

+ Công ty TNHH polyme – Berlin + Viện nghiên cứu polymer – Dresden (IPF)

+ Viện hóa cao phân tử - Đại học tổng hợp kyc thuật Dresden Kinh phí: 70 triệu đồng

1 - Hội thảo về công nghệ chế tạo

và ứng dụng vật liệu polyme phân

hủy sinh học trên cơ sở PLA,

Thời gian tháng 6 -12 năm 2008

Địa điểm: Trung Tâm Vật Liệu –

Viện HHCNVN

Kinh phí: 10.2 triệu

03 hội thảo và 01 hội nghị

về : Công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học trên cơ sở PLA, PGA, PLGA

- Công nghệ tổng hợp 3 loại vật liệu trên

- Hội thảo về tình hình thực hiện đề tài

Thời gian tháng 6 -12 năm

2008 Địa điểm: Trung Tâm Vật Liệu – Viện HHCNVN Kinh phí: 10.2 triệu

2 - Hội nghị về tình hình thực hiện

đề tài

- Báo cáo kết quả đạt được, khó

khăn thuận lợi

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát

trong nước và nước ngoài)

1 Tập hợp và viết tài liệu tổng quan

trong mười năm gần đây về

nghiên cứu chế tạo và ứng dụng

polyme phân hủy sinh học trên cơ

sở PLA, PGA và PLGA

4-6/ 2007 4-6/ 2007 Phạm Thế Trinh

Mai Văn Tiến Viện HHCNVN

Đỗ Quang kháng Viện hóa học – VKHCN- VN Phùng Hà

Vụ cơ khí và Luyện kim

2 Điều chế monome:

Nghiên cứu công nghệ sinh tổng

hợp axit lactic Tinh chế làm sạch

và phân tích tính chất sản phẩm

5-12/ 2007 5-12/ 2007 Dương Văn Hợp

Viện Sinh Vật – Đại Học Quốc Gia

Hà Nội

Vũ Thị Thuận Nguyễn Thị Phương Hà

Đỗ Hưng Viện Công nghệ Thực Phẩm

3 Tổng hợp điều chế PLA, PGA và

PLGA

Nghiên cứu lựa chọn, công nghệ

tổng hợp Tối ưu hóa các điều kiện

tổng hợp, tối ưu quy trình

Phân tích tính chất của sản phẩm

tổng hợp được

7/2007 – 10/2008 7/2007 – 10/2008 Phạm Thế Trinh Mai Văn Tiến

Lê Thị Thu Hà

Lê Hồng Bích

Hà Đại Phong Nguyễn Thị Thu

Vũ Thu Hà Nguyễn Hường Hảo Viện HHCNVN

Đỗ Quang Kháng Lưu Như Hải Ngô Trịnh Tùng Viện hóa học – VKHCN- VN

4 Nghiên cứu công nghệ gia công

chế tạo vật liệu polyme phân hủy

sinh học

9-12/2008 Phạm Thế Trinh

Mai Văn Tiến

Lê Thị Thu Hà Nguyễn Hường Hảo Viện HHCNVN Chu Ngọc Tiến Công Ty nhựa bộ

Y tế

5 Nghiên cứu sự phân hủy của mẫu

vật liệu 6/2008- 4/2009 Phạm Thế Trinh Mai Văn Tiến

Lê Thị Thu Hà

Lê Hồng Bích

Vũ Thu Hà Nguyễn Hường Hảo Viện HHCNVN

Đỗ Quang Kháng Lưu Như Hải Ngô Trịnh Tùng Viện hóa học – VKHCN- VN

6 Gia Công chế tạo sản phẩm ứng

dụng (Pilot)

3-4/ 2009 Phạm Thế Trinh

Mai Văn Tiến Viện HHCNVN Chu Ngọc Tiến Công Ty nhựa bộ

Y tế

8 Viết báo cáo tổng kết đề tài Phạm Thế Trinh

Mai Văn Tiến Viện HHCNVN

Đỗ Quang Kháng Viện hóa học – VKHCN - VN

- Lý do thay đổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Thực tế đạt được

1 Nhựa hạt tự hủy, khối

lượng riêng 1,0-1.1g/cm3,

nhiệt chảy mềm 175 o C, độ

ẩm < 2%

1 Quy trình công nghệ lên men

chế tạo axit lactic

01 quy trình:

Ổn định, độ chuyển hóa cao

Hàm lượng lactic axit >

L-80%

01 quy trình:

Ổn định, độ chuyển hóa cao

Hàm lượng lactic axit >

L-80%

2 Quy trình công nghệ chế tạo

nhựa PLA 01 quy trình: Ổn định, lập lại

cao sản phẩm có chất lượng tốt

01 quy trình:

Ổn định, lập lại cao sản phẩm có chất lượng tốt

3 Quy trình công nghệ chế tạo

nhựa PGA

01 quy trình:

Ổn định, lập lại cao sản phẩm có chất lượng tốt

01 quy trình:

Ổn định, lập lại cao sản phẩm có chất lượng tốt

4 Quy trình công nghệ chế tạo

nhựa PLGA 01 quy trình: Ổn định, lập lại

cao sản phẩm có chất lượng tốt

01 quy trình:

Ổn định, lập lại cao sản phẩm có chất lượng tốt

5 Quy trình công nghệ chế tạo

hạt nhựa

01 quy trình:

Đạt đạt độ ổn định, lập lại cao sản phẩm có chất lượng tốt

01 quy trình:

Đạt đạt độ ổn định, lập lại cao sản phẩm có chất lượng tốt

01 quy trình:

Đạt đạt độ ổn định, lập lại cao sản phẩm có tính khả thi cao, chất lượng tốt

- Lý do thay đổi (nếu có):

(Tạp chí, nhà

xuất bản)

1 Các bài báo khoa học 6-7 bài báo

khoa học có tính nghiên cứu mới,

sáng tạo

09 báo khoa học

có tính nghiên cứu mới, sáng tạo độc đáo

09 đăng trên các tạp chí:

Tạp chí Hóa học

Tạp chí Hóa học và ứng dụng Tạp chí khoa học và phát triển

- Lý do thay đổi (nếu có):

d) Kết quả đào tạo:

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống cây trồng:

1

Chế phẩm nhựa tự phân hủy

trên cơ sở polylactit và nhựa

hạt được sản xuất từ chế

phẩm này

01 01 4/2009

- Lý do thay đổi (nếu có):

e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)

Góp phần vào việc tạo ra công nghệ sản xuất vật liệu mới – vật liệu phân hủy sinh học đến phân tử thấp Góp phần vào việc phát triển một ngành khoa học mới còn tương đối non trẻ

là vật liệu polyme phân hủy sinh học So với khu vực và trên thế giới công nghệ tạo ra có trình độ tương đương

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

Góp phần tạo ra công ăn việc làm mới, tạo ra sản phẩm mới có sức cạnh tranh cao, góp phần ổn định chương trình kế hoạch sản xuất Tạo điều kiện cho các doanh nghiệp thực hiện chiến lược kinh doanh sản phẩm mới và phát triển bề vững

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

Thời gian thực hiện

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

I Báo cáo định kỳ lần 1 28/ 11/ 2007

(1) Đã tập hợp và tổng quan tài liệu

về các nội dung liên quan đến trong

10 năm gần đây

(2) Đã lựa chọn nguyên liệu (tinh bột

sắn), chủng vi sinh lactobacillus, đã

tiến hành lên men tinh bột sắn và xác

định các yếu tố ảnh hưởng trong

công nghệ lên men điều chế lactic

acid Thí nghiệm tinh chế axit lactic

(3) Đã lựa chọn axit lactic, phân tích

nguyên liệu đầu (LA, xúc tác)

(4) Song song, đã tiến hành tổng hợp

PLA từ axit lactic Kết quả đã tạo ra

sản phẩm PLA trong phòng thí

nghiệm, đang tiến hành phân tích sản

phẩm

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến

quá trình tổng hợp (tỷ lệ nguyên liệu,

xúc tác , nhiệt độ, thời gian , để chế

tạo PLA

Về nội dung thực hiện đề tài:

- Đề tài hay hấp dẫn trong lĩnh vực bảo vệ môi trường

- Hoàn thành tốt các mục tiêu

đề ra

- Cần bóc tách tài chính ra theo sản phẩm

Về tiến độ thực hiện đề tài:

- Đề tài đạt tiến độ đề ra

- Phải có người tiếp nối sản phẩm, liên hệ các CT khác để tiếp tục

- Chỉnh lý sản phẩm, nên có

kế hoạch đăng ký dự án XS thử nghiệm

II Báo cáo định kỳ lần 2 25/08/2008

a) Đã nghiên cứu và hoàn thiện quy

trình công nghệ vi sinh để tổng hợp

LA ( Chỉ tiêu nguyên liệu, điều kiện

nhiệt độ, thời gian , môi trường , loại

chủng vi sinh, hiệu suất…)

b) Đã nghiên cứu quy trình công

nghệ tinh chế và làm sạch sản phẩm

c) Đã tiến hành phân tích tính chất

sản phẩm tổng hợp được ( xác dịnh

cấu trúc: phổ IR, HPLC, phân tích

nhiệt TGA, DSC, DTA của vật liệu

e) Đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp

- Đề tài thực hiện đúng tiến

độ

Về tiến độ thực hiện:

Đúng tiến độ phù hợp với kinh phí của đề tài

III Báo cáo định kỳ lần 3+4 18/03/ 2008

d) Đã tiến hành nghiên cứu quy trình

công nghệ tổng hợp PLGA và phân

h) Nghiên cứu công nghệ gia công

chế tạo vật liệu polyme phân hủy

sinh học

Về nội dung thực hiện:

- Đề tài đã thực hiện hầu hết các nhiệm vụ trong hợp đồng

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS PHẠM THẾ TRINH

Tập thể cán bộ tham gia thực hiện đề tài:

1 PGS.TS.Đỗ Qụang Kháng Viện hóa học - VKHCN Việt Nam

2 TS Phùng Hà Cục hóa chất – Bộ Công Thương

3 ThS Mai Văn Tiến Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

4 TS Vũ Thị Thuận Viện Công nghiệp thực phẩm

5 TS Dương Văn Hợp Viện Vi sinh Vật - ĐHQGHN

6 ThS Lê Thị Thụ Hà Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

7 KS Ngụyễn Thị Hường Hảo Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

8 KS Lê Hồng Bích Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

9 KS Ngụyễn Thị Thụ Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

10 KTV Hà Đại Phong Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

11 TS Ngô Trịnh Tùng Viện hóa học - VKHCN Việt Nam

12 ThS Lương Như Hải Viện hóa học - VKHCN Việt Nam

13 TS Vũ Thị Thu Hà Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

14 ThS Trần Ngọc Doanh Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

15 KS Đỗ Mạnh Hùng Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

16 KS Ngụyễn Thị Phương Hòa Viện hóa học Công nghiệp Việt Nam

17 ThS Đỗ Hưng Viện Công nghiệp thực phẩm

18 KS Chu Ngọc Tiến Cty nhựa Y tế - Bộ Y tế

LỜI CÁM ƠN

Tập thể cán bộ nghiên cứu thực hiện đề tài chân thành cám ơn Bộ Khoa học và Công nghệ, Ban chủ nhiệm Chương trình KC-02 “ Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ vật liệu mới” về việc giao phí và nhiệm vụ thực hiện đề tài

Chúng tôi cũng chân thành cám ơn Bộ Công Thương, Tổng Công ty Hóa chất Việt Nam và Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam về những quan tâm sâu sắc và sự chỉ đạo thường xuyên trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng chúng tôi xin cám ơn sự hợp tác có hiệu quả của các cơ quan nghiên cứu trong và ngoài Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam và những cố gắng của toàn thể cán

bộ tham gia thực hiện đề tài

Thay mặt tập thể cán bộ tham gia thực hiện đề tài

PGS.TS Phạm Thế Trinh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AHA : Axit hidroxy axetic

AMG : Nồng độ enzym đường hóa

ASTM : American Standard Test Method

DE : Lượng đường khử (Detrose Equivalent)

DSC : Phân tích nhiệt vi sai quét

DTA : Phương pháp phân tích nhiệt vi sai

DXO : 1,5 - dioxepan -2-one

FDA : United States Food and Drug Administration

GC : Phương pháp sắc ký khí

GPC : Phương pháp sắc ký thấm qua gel

HFASH : Hexa floroaceton sesquihydrat

HN11 : Chủng vi khuẩn Lactococcus lactis subsp.lactis HN11 HN34 : Lactobacillus delbrueckii subsp delburueckii HN34 HPLC : Sắc ký lỏng cao áp

IR : Phổ hồng ngoại

ISO : International standard organization

KLPT : Khối lượng phân tử

LDPE : Polyetylen tỷ trọng thấp

LPLA : Poly(L-lactic axít)

O-PLA : Oligome lactic axít

TGA : Phân tích nhiệt trọng lượng

X-ray : Phương pháp nhiễu xạ tia X

DANH MỤC THEO BẢNG

Bảng 1.1.Tính chất cơ học của polyglycolic, polylactic và copolyme

của chúng 37

Bảng 1.2 Thời gian phân hủy in vivo (tháng) của các vật liệu 38

Bảng 3.1 Kết quả tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng hợp axit cao 64

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của pH trong môi trường lên men tới quá trình sinh tổng hợp axit lactic 65

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ đường ban đầu tới quá trình 65

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ tiếp giống ban đầu tới quá trình sinh tổng hợp axit lactic 66

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên men tới quá trình sinh tổng hợp axit lactic 67

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của thời gian lên men tới quá trình sinh tổng hợp axit lactic 67

Bảng 3.7 Kết quả lên men axit lactic tại thiết bị lên men 10 lít 68

Bảng 3.8 Kết quả của quá trình hoàn nguyên axit lactic từ canxi lactat 70

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Sb2O3 đến hiệu suất tạo thành lactit 76

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tạo thành lactit mạch vòng 78

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của áp suất tới hiệu suất tổng hợp lactit 80

Bảng 3.12 Các điều kiện được lựa chọn để tổng hợp lactit 81

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất và chỉ số độ nhớt của sản phẩm 87

Bảng 3.14 Ảnh hưởng nồng độ chất điều chỉnh mạch Lauryl ancol tới hiệu suất và chỉ số độ nhớt của PLA 89

Bảng 3.15 Các điều kiện được lựa chọn để tổng hợp polylactit 90

Bảng 3.16 Điều kiện tổng hợp điều chế glycolit 94

Bảng 3.17 Các điều kiện tối ưu được lựa chọn để tổng hợp PGA 97 Bảng 3.18 Ảnh hưởng tỷ lệ monome tới hiệu suất chuyển hoá, và tính chất

của sản phẩm 100

Bảng 3.19 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất và chỉ số độ nhớt của sản phẩm PLGA 103

Bảng 3.20 Cỏc điều kiện tối ưu được lựa chọn để tổng hợp PLGA 103

Bảng 3.21 Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng PLA/PCL đến tớnh chất cơ lý của vật liệu 112

Bảng 3.22 Điều kiện làm việc trờn mỏy ộp phun 116

Bảng 3.23 Điều kiện lựa chọn phối trộn nhựa PGA 117

Bảng 3.24 Điều kiện gia cụng trờn mỏy ộp đựn 117

Bảng 3.25 Điều kiện gia cụng trờn mỏy ộp phun 118

Bảng 3.26 Điều kiện lựa chọn gia cụng trờn thiết bị trộn kớn .119

Bảng 3.27 Điều kiện gia cụng PLGA trờn mỏy ộp đựn 119

Bảng 3.28 Điều kiện gia cụng PLGA trờn mỏy ộp phun 120

Bảng 3.29 Điều kiện thử nghiệm kộo sợi 124

Bảng3.30 Độ hỳt ẩm của cỏc mẫu sản phẩm trong mụi trường tự nhiờn [%] 125

Bảng 3.31 Sự tổn thất khối lượng của cỏc mẫu sản phẩm trong mụi trường in vitro (giỏ trị trung bỡnh) 126

Bảng 3.32 Sự tổn thất khối lượng của cỏc mẫu sản phẩm trong mụi trường đất 126

Bảng 3.33 Sự thay đổi KLPT và độ bền kộo theo thời gian phõn hủy của cỏc mẫu PLA, PGA và PLGA trong mụi trường nước 128

Bảng 3.34 Sự thay đổi KLPT và độ bền kộo theo thời gian phõn hủy của cỏc mẫu PLA, PGA và PLGA trong mụi trường vựi dưới đất 129

Bảng 3.35 Đánh giá tác động của vi sinh vật tới sự phân huỷ vật liệu polime sinh học (PLA, PGA, PLGA) 137

Bảng 4.1 Yêu cầu kỹ thuật vật liệu gia công chỉ khâu y tế… 143

Bảng 4.2 Cỡ số chỉ khâu tự tiêu (TCVN 1922-1999)… 144

Bảng 4.3 Chỉ tiêu vô trùng (TCVN 1922-1999)… 144

Bảng 4.4 Kết quả đo tính chất của vật liệu… 144

DANH MỤC THEO HÌNH

Hình 1.1: Cơ chế phân hủy của vật liệu polyme sinh học 5

Hình 1.2 Phản ứng polyme hóa mở vòng của các este vòng 17

Hình 1.3: Cơ chế phản ứng polyme hóa mở vòng của cationic 18

Hình 1.4: Cơ chế phản ứng polyme hóa mở vòng với chất khơi mào anionic 19 Hình 1.5: Cơ chế phản ứng polyme hóa mở vòng theo kiểu liên kết tạo phức 20 Hình 1.6: Đồng phân D(-) và L (+) của Lactic axit 21

Hình 1.7: Cơ chế phản ứngtrùng hợp mở vòng lactit 28

Hình 1.8: Sơ đồ phản ứng trùng hợp mở vòng glycolit 32

Hình 1.9: Sơ đồ phản ứng đồng trùng hợp mở vòng lactit và glycolit 34

Hình.3.1.Sơ đồ quy trình công nghệ lên men và thu hồi axit lactic 71

Hình.3.2: Phổ HPLC của mẫu L-lactic chuẩn và sản phẩm L-lactic axit lên men 72

Hình 3.3 Phổ hồng ngoại của sản phẩm L-lactic axit 73

Hình 3.4 Phổ cộng hưởng từ 11H của sản phẩm L-lactic axit 73

Hình 3.5 Phổ cộng hưởng từ 13C của sản phẩm L-lactic axit 74

Hình 3.6 Ảnh hưởng KLPT trung bình của lactit oligome đến hiệu suất tạo thành lactit 77

Hình 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất tổng hợp lactit 79

Hình 3.8 Ảnh sản phẩm lactit mạch vòng 81

Hình 3.9 Phổ GC sản phẩm lactit tổng hợp từ D,L lactic axit 82

Hình 3.10 Phổ GC sản phẩm lactit tổng hợp từ L-lactic axit 82

Hình 3.11 Phổ hồng ngoại của sản phẩm lactit 83

Hình 3.12 Phổ cộng hưởng từ 11H của lactit 84

Hình 3.13 Phổ cộng hưởng từ 13C của lactit 84

Hình 3.14 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của lactit 85

Hình 3.15 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của lactit 85

Hình 3.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ polyme hóa đến hiệu suất và độ nhớt của PLA 86

Hình 3.17 Ảnh hưởng nồng độ chất xúc tác đến hiệu suất và chỉ số độ nhớt của PLA 88

Hình 3.18 Phổ hồng ngoại của polylactit 90

Hình 3.19 Phổ cộng hưởng từ 11H-NMR của PLA 91

Hình 3.20 Phổ cộng hưởng từ 13C NMR của PLA 91

Hình 3.21 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của PLA 92

Hình 3.22 Giản đồ phân tích nhiệt TGA của PLA 92

Hình 3.23 giản đồ nhiễu xạ tia X của PLLA 93

Hỡnh 3.25 Giản đồ phõn tớch nhiệt DSC của glycolit 95

Hỡnh 3.26 Giản đồ phõn tớch nhiệt trọng lượngTGA của glycolit 96

Hỡnh 3.27 Phổ hồng ngoại của PGA 97

Hỡnh 3.28 Giản đồ phõn tớch nhiệt TGA của PGA 98

Hỡnh 3.29 Ảnh hưởng nồng độ xỳc tỏc tới hiệu suất và độ nhớt của PLGA 101

Hỡnh 3.30 Ảnh hưởng của nhiệt độ polyme húa tới hiệu suất và chỉ số độ nhớt của PLA 102

Hỡnh 3.31.Giản đồ phõn tớch nhiệt trọng lượng TGA của PLGA 104

Hỡnh 3.32 Phổ hồng ngoại của PLGA 104

Hỡnh 3.33 Phổ 11H của PLGA 105

Hỡnh 3.34 Phổ 13C của PLGA 105

Hỡnh 3.35 Quy trỡnh cụng nghệ tổng hợp PLA………106

Hỡnh 3.36 Quy trỡnh cụng nghệ tổng hợp PGA………108

Hỡnh 3.37 Quy trỡnh cụng nghệ tổng hợp PLGA……….109

Hỡnh 3.38 Ảnh hưởng của phụ gia đến tớnh chất cơ lý 113

Hình 3.39 Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công trên máy đùn ép đến tính chất cơ lý của vật liệu 114

Hỡnh 3.40 Ảnh hưởng của thời gian lưu trờn mỏy đựn ộp đến tớnh chất cơ lý của vật liệu 114

Hỡnh 3.41 Ảnh hưởng của tốc độ vũng quay trục vớt đến tớnh chất cơ lý của vật liệu 115

Hỡnh 3.42 Sơ đồ cụng nghệ chế tạo nhựa hạt tự hủy 118

Hỡnh 3.43 Thiết bị kộo sợi 123

Hỡnh 3.44 Sự suy giảm độ nhớt theo thời gian phõn hủy của PGA 127

Hỡnh 3.45 Sự thay đổi pH mụi trường phõn hủy của PLA, PGA và PLGA theo thời gian 130

Hỡnh 3.46 Giản đồ GC sản phẩm phõn hủy của PLA sau 25 ngày 131

Hỡnh 3.47 Giản đồ GC sản phẩm phõn hủy của PGA sau 40 ngày 131

Hỡnh 3.48 Giản đồ GC sản phẩm phõn hủy của PLGA sau 150 ngày 132

Hỡnh 3.49.Ảnh SEM của PLA tại thời điểm ban đầu 133

Hỡnh 3.50.Ảnh SEM PGA ban đầu 133

Hỡnh 3.51.Ảnh SEM PLGA ban đầu 134

Hỡnh 3.52.Ảnh SEM PLA sau 3 thỏng phõn hủy trong in vitro 134

Hỡnh 3.53.Ảnh SEM PGA sau 2 thỏng phõn hủy trong in vitro 135

Hỡnh 3.54.Ảnh SEM của PLGA sau 3 thỏng phõn hủy trong in vitro 135

Hỡnh 4.1 Sơ đồ dõy chuyền cụng nghệ chế tạo nhựa hạt PLA, PGA và PLGA 141

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ POLYME CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ POLYLACTIC,

POLYGLYCOLIC VÀ SẢN PHẨM ĐỒNG TRÙNG NGƯNG CỦA CHÚNG 3

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC 3

1.1.1 Vật liệu polyme có khả năng tự phân hủy và phân hủy sinh học 3 1.1.2 Những yếu tố quyết định tới sự phân sinh học polyme 4 1.1.3 Cơ chế phân hủy sinh học của vật liệu polyme sinh học 4 1.1.4 Ứng dụng polyme phân hủy sinh học 6

1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 8

1.2.1 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học trên thế giới 8 1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học ở Việt Nam 12

1.3.POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ LACTIC AXIT, GLYCOLIC AXIT VÀ COPOLYME CỦA CHÚNG 15

1.3.1 Giới thiệu chung về polyme phân hủy sinh học trên cơ sở lactic axit, glycolic axit và copolyme của chúng 15 1.3.2 Phương pháp chung tổng hợp các polyme phân hủy sinh học trên cơ

sở poly α-este 17 1.3.3 Lactic axit và phương pháp tổng hợp polylactic axit 20 1.3.3.1 Lactic axit 20 1.3.3.2 Phương pháp tổng hợp polylactic axit 26 1.3.4 Glycolic axit và phương pháp tổng hợp polyglycolic axit 31 1.3.4.1 Glycolic axit 31 1.3.4.2 Phương pháp tổng hợp polyglycolic axit 31 1.3.5 Polyme phân hủy sinh học trên cơ sở copolyme của glycolic axit và lactic axit 34 1.3.6 Tính chất của polyme phân hủy sinh học trên cơ sở glycolic axit và

1.3.7 Quá trình phân huỷ sinh học của PLA, PGA và PLGA 37

1.3.8 Phương pháp gia công PLA, PGA và PLGA 39

1.3.9 Ứng dụng của PLA, PGA và PLGA 40

2.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM – TỔNG HỢP, GIA CÔNG,

NGHIÊN CỨU PHÂN HỦY VẬT LIỆU 46

2.3.1 Điều chế axit lactic bằng phương pháp lên men tinh bột sắn 46

2.3.2.Tổng hợp PLA, PGA và PLGA 46

2.3.3.3 Xác định cấu trúc bằng các phương pháp hóa lý 55

2.3.3.4 Phương pháp xác định tính chất bền cơ của vật liệu 56

2.3.3.5 Phương pháp xác định độ ổn định và khả năng phân hủy của vật liệu 58

2.3.3.6 Phương pháp nghiên cứu sự phân hủy thủy phân in Vitro 59

2.3.3.7 Nghiên cứu tác động của vi sinh vật đối với PLA, PGA và PLGA 60

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 62

3.1.TỔNG HỢP ĐIỀU CHẾ PLA, PGA VÀ SẢN PHẨM ĐỒNG TRÙNG

NGƯNG PLGA 62

3.1.1 Điều chế monome axit lactic bằng công nghệ lên men 62

3.1.1.1 Chuyển hóa tinh bột sắn thành đường glucoza 62

3.1.1.2 Nghiên cứu tuyển chọn chủng vi khuẩn lactic có khả năng sinh tổng

hợp axit lactic cao 63

3.1.1.4 Chế thử axit lactic bằng phương pháp lên men trên thiết bị lên men 10 lít 68 3.1.1.5 Nghiên cứu thu hồi axit lactic từ dịch lên men theo phương

pháp hóa học 69 3.1.1.6 Phân tích sản phẩm 72 3.1.2 Phản ứng trùng hợp điều chế PLA 74 3.1.2.1 Phản ứng chuyển hóa tạo thành dilacton (lactit mạch vòng) 74 3.1.2.2 Phản ứng trùng hợp mở vòng điều chế PLA khối lượng

phân tử cao 86 3.1.3 Phản ứng trùng hợp điều chế PGA 93 3.1.3.1 Phản ứng chuyển hóa tạo thành glycolit 93 3.1.3.2 Trùng hợp mở vòng điều chế PGA khối lượng phân tử cao 96 3.1.4 Nghiên cứu quy trình Công nghệ tổng hợp PLGA, Phân tích tính

chất sản phẩm 98 3.1.4.1 Phương pháp tổng hợp PLGA 98 3.1.4.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng các thành phần đến hiệu suất và

tính chất của PLGA 99

3 1.4.3 Ảnh hưởng tỷ lệ hàm lượng chất xúc tác đến tính chất của sản phẩm 100 3.1.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian đến độ chuyển hóa và tính chất của PLGA 101 3.1.4.5 Lựa chọn các điều kiện tối ưu để tổng hợp PLGA 103 3.1.4.6 Phân tích xác định các tính chất của sản phẩm PLGA 103 3.1.5 Sơ đồ quy trình tổng hợp PLA, PGA và PLGA 106 3.1.5.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp PLA 106 3.1.5.2 Sơ đồ quy trình tổng hợp PGA 108 3.1.5.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp PLGA 109

3.2 GIA CÔNG CHẾ TẠO VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ

PLA, PGA VÀ PLGA 1103.2.1 Gia công chế tạo vật liệu trên cơ sở PLA 111 3.2.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ hàm lượng các thành phần nhựa đến tính chất cơ lý

của vật liệu 111 3.2.1.2 Ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất cơ l 112 3.2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện gia công trên máy ép đùn

(to, thời gian, vòng quay trục vít) đến tính chất vật liệu 113 3.2.1.4 Ảnh hưởng của điều kiện gia công trên máy ép phun

(To, thời gian, tốc độ ép…) đến tính chất cơ lý của vật liệu 115 3.2.2.Nghiên cứu công nghệ gia công chế tạo vật liệu trên cơ sở PGA 116 3.2.3 Gia công chế tạo vật liệu trên cơ sở PLGA 118 3.2.4 Quy trình công nghệ chế tạo nhựa hạt 121 3.2.5 Nghiên cứu các điều kiện công nghệ để chế tạo thử chỉ khâu nhân tạo 122 3.2.5.1 Mô tả thiết bị kéo sợi 122 3.2.5.2.Phương pháp tiến hành: xác định tốc độ kéo sợi,

của sợi tạo thành 123

3.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỰ PHÂN HỦY CỦA POLYMER 1243.3.1 Sự phân hủy thủy phân của PLA, PGA và PLGA trong môi trường

in vitro 124 3.3.1.1 Xác định sự tổn thất khối lượng của các mẫu vật liệu PLA, PGA và PLGA

trong điều kiện thủy phân và các môi trường khác nhau theo thời gian 124 3.3.1.2 Ảnh hưởng của môi trường đến tính chất cơ lý hóa của vật liệu 127 3.3.1.3 Sự thay đổi pH môi trường phân hủy của PLA, PGA và PLGA

theo thời gian 130 3.3.2 Xác định cấu trúc bề mặt phân hủy của vật liệu (SEM) 132 3.3.3 Nghiên cứu tác động của vi sinh vật tới sự phân hủy của PLA, PGA

và PLGA 136

CHƯƠNG 4 GIA CÔNG CHẾ TẠO SẢN PHẨM ỨNG DỤNG 140

4.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO SẢN PHẨM TRÊN THIẾT BỊ PILOT 1404.1.1 Chế tạo nhựa hạt tự phân hủy 140 4.1.2 Chế tạo bao túi 142

4.2 SẢN PHẨM ĐÃ CHẾ TẠO 1434.2.1 Nhựa hạt tự phân hủy 143 4.2.2 Bao bì, túi đựng .143 4.2.3 Vật liệu cho gia công chỉ khâu y tế 143

4.3 PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO VẬT LIỆU DÙNG LÀM CHỈ KHÂU Y TẾ 143 4.3.1 Khái niệm về vật liệu dùng làm chỉ khâu y tế 143 4.3.2 Yêu cầu kỹ thuật vật liệu dùng làm chỉ khâu y tế 143 4.3.3 Tính chất cơ lý của vật liệu PLA, PGA và PLGA 144 4.3.4 Phương án chế tạo vật liệu dùng làm chỉ khâu tự tiêu 145 4.3.5 Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu (dạng hạt) làn chỉ khâu tự tiêu 146

4.4 XÂY DỰNG GIÁ THÀNH SẢN PHẨM 146 4.4.1 Nhựa hạt tự phân hủy PLA 146 4.4.2 Nhựa hạt tự phân hủy PGA 147 4.4.3 Nhựa hạt tự phân hủy PLGA 147 4.4.4 So sánh với giá nhựa của nước ngoài 147

MỘT SỐ HÌNH ẢNH ỨNG DỤNG

KẾT LUẬN 148

TÀI LIỆU THAM KHẢO 152

PHỤ LỤC 170

MỞ ĐẦU

Một trong những thành tựu quan trọng của nhân loại trong thế kỷ 20 là sự

ra đời và phát triển của vật liệu polyme tổng hợp Với những ưu điểm nổi trội

về các tính năng cơ lý, kỹ thuật của nó, vật liệu này đã nhanh chóng được ứng dụng rộng khắp trong các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật từ những ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật cao như nghiên cứu vũ trụ, đại dương cho đến những ứng dụng đa dạng trong cuộc sống hàng ngày của loài người Chính vì vậy mà

số lượng và chủng loại của vật liệu này đã tăng lên liên tục Cho tới nay, sản lượng của nó đã vượt con số 100 triệu tấn/năm [1] Do tầm quan trọng của nó, nhiều tổ chức đã lấy chỉ tiêu bình quân tiêu thụ vật liệu polyme tổng hợp trên đầu người mỗi năm làm thước đo để đánh giá mức độ phát triển của mỗi quốc gia Theo đó, ở những nước phát triển hiện nay khoảng 80-100 kg còn ở những nước đang phát triển chỉ có 1-10kg [2, 3] Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực vẫn tồn tại mặt trái của sự phát triển nhanh chóng này là vấn đề ô nhiễm môi trường do các sản phẩm từ vật liệu này sau thời gian sử dụng nhất định thải ra môi trường mỗi năm với khối lượng khổng lồ [4,5]

Ở nước ta, với sự phát triển kinh tế, xã hội trong những năm qua, sản lượng vật liệu polyme sử dụng cũng tăng lên liên tục Theo con số thống kê của Hiệp hội Nhựa Việt Nam, mặc dù chưa có nền công nghiệp sản xuất polyme tổng hợp nhưng sản lượng vật liệu này sử dụng ở Việt Nam tăng rất nhanh trong những năm qua Nếu như năm 1995 mới chỉ trên dưới 400.000 tấn/năm thì năm 2000 đã

là 950.000 tấn/năm và dự kiến đến năm 2010 sẽ là 4.200.000 tấn/năm (chưa kể đến các sản phẩm cao su các loại) Tương ứng với con số trên, mỗi năm ở Việt Nam cũng thải ra hàng trăm ngàn tấn vật liệu polyme phế thải (bao gồm các sản phẩm từ cao su, nhựa) Theo thống kê của Viện Khoa học Công nghệ Môi trường (ĐHBK Hà Nội), chỉ riêng Hà Nội, năm 2002 đã thải ra 74.647 tấn vật liệu polyme phế thải các loại [6] Như vậy, ước tính về lượng polyme phế thải trên toàn quốc mỗi năm có thể tới hàng trăm ngàn tấn

Những loại polyme phế thải này không tự phân huỷ được nếu như không được xử lý tận dụng sẽ trở thành thảm hoạ đối với môi trường Chính vì vậy,

ở các nước tiên tiến người ta dùng nhiều biện pháp để tận dụng các sản phẩm phế thải này như tái sinh lại làm nguyên liệu, nhiệt phân để thu hồi nhiên liệu lỏng hoặc sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho công nghiệp xi măng, sản xuất

năng lượng và chỉ còn một lượng nhỏ đem chôn lấp [4, 5] Mặt khác, trong

một vài thập kỷ trở lại đây, trên thế giới, đặc biệt là ở những nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật và cả Trung Quốc và Hàn Quốc, người ta tập trung vào hướng nghiên cứu, ứng dụng các loại vật liệu polyme có khả năng phân hủy sinh học [7], đó là các loại vật liệu polyme sau một thời gian

nhất định trong điều kiện môi trường có khả năng phân hủy thành những phân

tử đơn giản hơn có trong môi trường như CO2 và nước, Như vậy, việc chế tạo và ứng dụng vật liệu này ngoài những ứng dụng tuyệt vời và đa dạng của

nó (đặc biệt là trong lĩnh vực y-sinh) mà chúng tôi sẽ trình bầy ở các mục sau còn có tác dụng giảm được khả năng gây ô nhiễm môi trường

Trong bối cảnh như vậy, ở nước ta, vấn đề nghiên cứu, ứng dụng các loại polyme có khả năng phân hủy sinh học mới chỉ đươc quan tâm từ khoảng chục năm trở lại đây Những nghiên cứu bước đầu này mới chỉ tập trung vào đối tượng vật liệu trên cơ sở nhựa nhiệt dẻo biến tính với tinh bột để ứng dụng trong một số lĩnh vực như nông nghiệp, bao gói, để giảm thiểu ô nhiễm môi trường Còn những nghiên cứu để chế tạo ra vật liệu ứng dụng trong công nghệ cao, vật liệu cho y- sinh học thì hầu như chưa được quan tâm đến Chính

vì vậy, được sự ủng hộ của Chương trình nghiên cứu khoa học và công nghệ vật liệu mới, Bộ Khoa học & Công nghệ đã giao cho Viện Hóa học Công

nghiệp Việt Nam chủ trì thực hiện đề tài cấp Nhà nước "Nghiên cứu chế tạo

và ứng dụng polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở polylactic axit (PLA), polyglycolic axit (PGA) và sản phẩm đồng trùng ngưng của chúng"

- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

+ Nghiên cứu nhằm tạo ra công nghệ chế tạo một số vật liệu polyme:

polylactic axit (PLA), polyglycolic axit (PGA) và sản phẩm đồng trùng ngưng của chúng (PLGA) có khả năng phân huỷ sinh học đến mức độ phân tử thấp trong khoảng 3 – 12 tháng

+ Đề xuất phương án chế tạo vật liệu cao cấp, đặc biệt là vật liệu dùng làm chỉ khâu y tế và các sản phẩm khác …

- Những nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài bao gồm:

+ Tổng hợp, điều chế vật liệu polyme phân hủy sinh học

* Điều chế monome Lactic axit

* Tổng hợp Poly (lactic-axit) – PLA

* Tổng hợp poly (glycolic – axit) – PGA

* Tổng hợp poly (lactit–co-glycolit) – PLGA

+ Gia công chế tạo vật liệu phân hủy sinh học

+ Phân tích chất lượng sản phẩm

+ Nghiên cứu sự phân hủy của mẫu vật liệu

+ Gia công chế tạo sản phẩm ứng dụng (hạt nhựa, vật liệu làm chỉ khâu y tế) + Triển khai ứng dụng thực tế

+ Ổn định công nghệ tạo hạt trên dây chuyền bán công nghiệp (pilot) + Đề xuất phương án chế tạo vật liệu dùng làm chỉ khâu y tế

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC

1.1.1 Vật liệu polyme có khả năng tự phân hủy và phân hủy sinh học

Theo quan niệm chung, polyme có khả năng tự phân hủy bao hàm tất cả các loại vật liệu do những tác động của các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng hay

vi khuẩn trong môi trường sau một thời gian nhất định bị phá vỡ cấu trúc đại phân tử thành các hợp chất có khối lượng phân tử thấp hơn và cuối cùng thành khí cacbonic và nước Quá trình phân hủy có thể xảy ra cả trong môi trường tự nhiên và cả trong môi trường cơ thể sống của con người Để có thể ứng dụng được trong thực tế, các loại polyme có khả năng tự phân hủy phải thỏa mãn những yêu cầu nhất định Theo Chielline [7] polyme được gọi là polyme tự phân huỷ có thể sử dụng được khi chúng thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

- Giữ nguyên được cấu trúc và tính chất giống như các polyme thông thường trong thời gian sử dụng

- Sau khi đã qua sử dụng, polyme bị phân hủy thành các chất có khối lượng phân tử (KLPT) thấp dưới tác động của các tác nhân sinh, lý, hóa tồn tại trong tự nhiên

- Sản phẩm cuối cùng có thể chuyển sang dạng CO2 và H2O,

Mức độ phân huỷ của vật liệu này tuỳ theo điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, mà mức độ phân huỷ có thể đạt từ 70 – 90% trong khoảng 3 – 4 tháng hoặc có thể lâu hơn

Như vậy, vật liệu polyme có khả năng tự phân hủy trong môi trường bao hàm rộng rãi gồm cả các vật liệu tự phân hủy do tác động của các yếu tố hóa học hoặc vật lý như nhiệt, bức xạ, nước và các yếu tố sinh học đơn thuần hoặc phối hợp của tất cả các yếu tố trên Còn polyme có khả năng phân hủy sinh học có nhiều quan niệm khác nhau, theo ASTM D 6400-99 định nghĩa

“Polyme có khả năng phân hủy sinh học là các loại polyme có khả năng bị phân hủy trong tự nhiên do các tác động của các loại vi sinh vật như các vi

khuẩn, nấm, mốc và các enzym” Ngoài ra, cũng theo tiêu chuẩn này còn có

định nghĩa về các loại polyme có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện

ủ: “Polyme có khả năng phân hủy sinh học do ủ là các loại polyme có khả

năng bị phân hủy do quá trình sinh học khi ủ tạo thành CO 2 , nước, các chất

vô cơ và sinh khối tùy thuộc loại vật liệu và mức độ có thể không thấy được, thấy được hoặc có thể để lại cặn bã”

1.1.2 Những yếu tố quyết định tới sự phân sinh học polyme

Như phần trên đã trình bầy, vật liệu polyme có thể bị phân hủy do nhiều nhân tố tác động khác nhau như: các yếu tố sinh học, các yếu tố hóa học và các yếu tố vật lý Trong phần này chúng tôi chỉ xét những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy sinh học của polyme Theo Giáo sư Andreas Lendlein [8] những yếu tố quyết định khả năng phân hủy sinh học đối với vật liệu polyme làm vật liệu y-sinh bao gồm:

a) Về mặt hóa học:

- Thành phần hóa học của vật liệu

- Cấu trúc nối tiếp trong những copolyme

- Sự có mặt của các nhóm chứa ion

- Những khuyết tật trên mạch polyme

- Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử

- Những hợp phần có khối lượng phân tử thấp

- Điều kiện gia công

- Sự trao đổi ion, độ mạnh của ion, giá trị pH

- Sự biến đổi hệ số khuếch tán

- Cơ chế thủy phân (H2O, enzim)

- Ứng suất cơ học

- Các vết nứt tạo thành do thủy phân hoặc ứng suất cơ học

1.1.3 Cơ chế phân hủy sinh học của vật liệu polyme sinh học

Theo Giáo sư A Lendlein [8], quá trình phân hủy sinh học của polyme làm vật liệu y-sinh theo 3 cơ chế chính sau đây:

Đứt các kiên kết ngang giữa các mạch polyme tan trong nước

Dạng tan trong nước

Dạng không tan trong nước

Sự chuyển đổi hoặc đứt các nhóm gắn vào mạch (X) dẫn tới sự hình thành các cực hoặc các nhóm mới (Y)

Dạng tan trong nước

Dạng không tan trong nước

Sự đứt các liên kết giữa các monome trong mạch của polyme

Dạng tan trong nước

Như vậy có thể thấy rằng, do tác động của các yếu tố sinh học, polyme không tan trong nước có thể bị cắt cầu nối không gian để tạo thành mạch phân

tử tan trong nước, hoặc biến đổi nhóm chức để chuyển mạch đại phân tử từ dạng không tan trong nước sang dạng hòa tan trong nước và cắt mạch đại phân tử polyme thành các monome, Như vậy, tất cả các cơ chế này đều tạo

ra chất tan trong nước Tùy theo đặc điểm riêng của vật liệu và điều kiện môi trường mà chúng có thể bị phân hủy tiếp tục thành CO2 , H2O,

1.1.4 Ứng dụng polyme phân hủy sinh học

Polyme phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu trong 3 lĩnh vực : sinh học, nông nghiệp và bao bì, nhiều loại đã trở thành sản phẩm thương mại

y-Do có tính chuyên dụng và giá thành cao nên polyme phân hủy sinh học được ứng dụng trong y-sinh học phát triển mạnh hơn trong các lĩnh vực khác

- Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Màng mỏng từ polyme đã được ứng dụng trong nông nghiệp từ những năm 30, 40 của thế kỷ trước để làm màng che, phủ, hom ươm cây, Màng polyme có tác dụng giữ hơi ẩm cho đất, ngăn cỏ dại phát triển, có tác dụng ổn định nhiệt của đất, vì vậy làm tăng tốc độ phát triển của cây trồng Các polyme làm màng phủ thông dụng là: polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE), polyvinylclorua (PVC), polybutylen (PB) và copolyme của etylen với vinylaxetat Tuy nhiên, sau khi hết thời gian sử dụng các polyme này hầu như không bị phân hủy hoàn toàn trong đất [9] gây ra nhiều khó khăn cho môi trường và cho bản thân người trồng trọt

Trong những năm gần đây, polyme phân hủy sinh học được định hướng

sử dụng để làm màng che phủ trong nông nghiệp nhờ có khả năng tự phân hủy sau một thời gian nhất định dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng

và các vi sinh vật trong đất Màng phân hủy giúp cho thu hoạch thuận lợi, giảm giá thành sản xuất và không gây trở ngại cho vụ mùa sau Các màng mỏng polyme có thể bị phân hủy quang và phân hủy sinh học Để vật liệu có khả năng phân hủy quang, người ta thường đưa vào polyme một số chất phụ gia quang hóa và oxy hóa Tỷ lệ phối trộn được điều chỉnh sao cho khi cây phát triển thì polyme bắt đầu phân hủy

Màng mỏng phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với polyvinylancol, poly(etylen-co-acrylic axit), polyvinylclorua đã được ứng dụng ở Mỹ Màng mỏng poly(ε-caprolacton) và polyvinylancol bị phân hủy hoàn toàn bởi các vi sinh vật trong đất Poly(ε-caprolacton) đã được ứng dụng làm bầu ươm cây giống Trong môi trường đất, poly(ε-caprolacton) bị phân hủy sinh học, sau 6 tháng tổn hao 48% và sau 1 năm tổn hao tới 95% trọng lượng [9]

- Bao bì, túi đựng hàng hóa

Polyme phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu làm bao bì cho ngành công nghiệp thực phẩm Yêu cầu của bao bì làm từ tổ hợp polyme phân huỷ sinh học là phải đạt được các tính chất gần như của polyme tổng hợp Polyme thiên nhiên phân hủy sinh học dùng để sản xuất bao bì phổ biến là polysacarit, bao gồm tinh bột, xenlulo và chitosan [10, 11]

Mức độ phân hủy của màng mỏng phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn giữa polyme tổng hợp và polyme thiên nhiên (ví dụ như tinh bột, xenlulozơ ) và bản chất hóa học của từng cấu tử Tổ hợp LDPE với 10% tinh bột ngũ cốc được dùng để sản xuất các túi đựng rác và thực phẩm bằng các công nghệ thông thường Pullulan là polyme được tổng hợp từ các loại nấm, có cấu tạo

từ các vòng maltotrise nối với nhau bởi liên kết α -1,6 Đây là polyme tan trong nước, ứng dụng để sản xuất màng bao gói hàng hóa mỏng và trong suốt,

có thể ăn được và có độ thấm khí thấp

Poly(L-lactic axít) (LPLA) được tổng hợp từ phản ứng ngưng tụ Lactic axit, có độ bền kéo đứt 45 ÷ 70 MPa, độ dãn dài 85 ÷ 105% Phòng thí nghiệm Argonne National đã tìm ra phương pháp sản xuất glucoza từ tinh bột khoai tây và sau đó lên men glucoza thành Lactic axit với giá thành khá thấp

để có thể sản xuất LPLA và sản xuất bao bì phân hủy sinh học với giá cả thích hợp Bao bì từ LPLA được dùng làm túi đựng rác và tạp phẩm, khăn vệ sinh, bao gói và hộp đựng thức ăn nhanh Tuy nhiên do giá thành cao nên ít được phổ biến trong thực tế

- Ứng dụng trong y–sinh học

Như các phần trên đã nói, do những ưu thế nổi trội về tính năng cơ lý và đặc biệt là khả năng tương hợp về mặt sinh học với cơ thể, do vậy polyme phân hủy sinh học được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực y-sinh Năm 2003, việc bán các vật liệu polyme sinh học làm vật liệu y-sinh đã vượt quá 7 tỉ USD, chiếm khoảng gần 88% tổng số vật liệu sinh học trên thị trường trong năm đó [12] Người ta dự đoán rằng vào năm 2008, thị trường các vật liệu polyme sinh học sẽ đạt mức 11,9 tỉ USD tạo tiền đề cho một thị trường vật liệu polyme sinh học lớn trong những thập kỉ sắp tới

Polyme phân hủy sinh học đã được thử nghiệm làm mô cấy phẫu thuật trong phẫu thuật mạch máu và chỉnh hình, làm vật liệu nền để giải phóng thuốc lâu dài (có thể điều khiển được) bên trong cơ thể và được xếp vào nhóm vật liệu sinh học Thuật ngữ vật liệu sinh học chỉ những vật liệu dùng trong y-sinh học và có khả năng tương thích sinh học với vật chủ Vật liệu sinh học nói chung được sử dụng cho các mục đích sau [13-16]:

+ Thay thế các mô bị bệnh hoặc không còn tác dụng, ví dụ như làm khớp nhân tạo, van tim, động mạch, răng giả

+ Trợ giúp mô hồi phục, bao gồm chỉ khâu tự tiêu, hồi phục xương gãy, gân, dây chằng

+ Thay thế toàn bộ hoặc một phần chức năng của cơ quan chính

+ Giải phóng thuốc vào cơ thể

Ngày nay đã có nhiều loại polyme phân hủy sinh học dùng trong y-sinh đã được thương mại hóa và sẵn có trên thị trường như Bondek TM từ polyglycolid

do hãng Deknatel sản xuất, MaxonTM từ poly(glycolid-co-trimetylen cacbonat) do hãng Davis and Geck sản xuất hay PDSTM từ polydioxanon do hãng Ethicon sản xuất…[8,12]

1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học trên thế giới

Do nhu cầu phát triển của kinh tế, xã hội và đặc biệt là vấn đề chăm sóc sức khỏe và bảo vệ môi trường, từ những năm 60 đầu những năm 70 của thế

kỷ trước, các nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học nhằm mục đích sản xuất các vật liệu cấy ghép, thay thế các bộ phận trong cơ thể người, các tác nhân mang thuốc, cho đến các vật dụng thay thế các vật liệu polyme thông dụng trong cuộc sống hàng ngày (như bao bì, túi đựng, màng mỏng che phủ đất, vật dụng khuôn đúc, bầu ươm cây giống ), nhằm ngăn ngừa ô nhiễm môi trường sống [7,17] Các công trình nghiên cứu về polyme phân hủy sinh học được công bố đặc biệt nhiều từ những năm 90 của thế kỷ XX trở lại đây Vào khoảng những năm 80, trung bình mỗi năm mới có từ 20 đến 30 bài báo và từ

7 - 10 patent, thì từ những năm 90 số bài báo đã tăng lên từ 50 bài (năm 1990) đến 1500 bài (năm 2000) và số patent tăng đến 600 Đến năm 2003 đã có trên

4000 bài báo và hơn 2500 patent được công bố [3,7] Các công trình nghiên cứu và patent đều xuất phát từ những quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Pháp,

Ý, Nhật và một số nước mới phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc,

Mặt khác, nhu cầu tiêu thụ vật liệu phân huỷ sinh học của thế giới ngày càng tăng, ở Mỹ năm 1992 đã tiêu thụ 547.000 tấn polyme tự huỷ, năm

1997 là 1.193.000 tấn, năm 2005 là trên 3,5 triệu tấn và dự báo đến năm 2010 là trên 5 triệu tấn Tốc độ phát triển lượng polyme tự hủy của châu Âu tăng ở mức khoảng 9%/năm Năm 2000, tổng sản lượng nhựa có khả năng tự phân hủy ở châu Âu đạt mức 10 triệu tấn và đã tăng lên khoảng 15 triệu tấn vào năm 2005

và sẽ trên 20 triệu tấn vào năm 2010 Ở Nhật Bản mức tiêu thụ sản phẩm polyme phân hủy sinh học chiếm khoảng 11% tổng toàn bộ polyme sử dụng Ở Trung Quốc, năm 2000 người ta sử dụng khoảng 2 triệu tấn, năm 2008 tăng lên 3,5 triệu tấn với ước tính sẽ tăng lên 4,5 triệu tấn vào năm 2010 [17]

Đặc biệt từ hai thập kỉ cuối của thế kỉ 20 chứng kiến sự biến đổi mô hình từ các vật liệu ổn định sinh học sang các vật liệu sinh học có khả năng phân huỷ sinh học (phân huỷ nhờ thuỷ phân và do enzym) đối với ứng dụng y học và các ứng dụng liên quan khác [12,18,19] Xu hướng hiện tại dự đoán trong một vài năm tới, rất nhiều các thiết bị, bộ phận lắp giả để thay thế (trong

cơ thể người) sẽ được thay bởi các thiết bị,dụng cụ có khả năng phân huỷ sinh học, nhờ vậy có thể giúp cơ thể sửa chữa và tái tạo lại các mô đã bị phá huỷ

Có một vài lý do giải thích tại sao vật liệu có khả năng phân hủy sinh học lại được quan tâm, ưa thích hơn so với vật liệu ổn định sinh học cho các ứng dụng y-sinh học Động lực chính nằm ở khả năng tương hợp lâu dài với các

mô ghép tồn tại lâu dài và do vậy không phải mổ đi mổ lại nhiều lần

Mặc dù rất nhiều các ứng dụng y – sinh học của các polyme tự nhiên

có khả năng phân huỷ dưới tác dụng enzym như collagen đã có từ hàng nghìn năm trước, ứng dụng của các polyme tổng hợp có khả năng phân huỷ sinh học chỉ bắt đầu từ nửa cuối của những năm 1960 [20] Tuy nhiên, những thập kỉ qua đã chứng kiến sự phát triển của polyme tổng hợp mới, có khả năng phân huỷ sinh học và các polyme tự nhiên tương tự đã được phát triển một cách cụ thể đối với các ứng dụng y-sinh học Một phần động lực của sự phát triển này

là do sự nổi lên của các công nghệ y-sinh học mới, bao gồm: kỹ thuật mô, thuốc có khả năng tái sinh, liệu pháp gen, sự vận chuyển thuốc có kiểm soát

và công nghệ sinh học nano, tất cả đều đòi hỏi vật liệu nền có khả năng phân huỷ sinh học để tạo ra chúng

Sự tiến triển chậm của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học có thể được quy do một vài khó khăn riêng trong việc nâng cao lợi nhuận từ các vật liệu này khó hơn so với các polyme thương mại khác Một vật liệu sinh học (biomaterial) có thể được định nghĩa như là vật liệu có xu hướng tiếp giáp với các hệ sinh học để loại trừ, xử lý, làm tăng thêm hoặc thay thế các mô, bộ phận hoặc các chức năng của cơ thể [21] Điều kiện đặc biệt có vai trò tiên quyết đến chất lượng của vật liệu sinh học đó là khả năng tương hợp sinh học –là khả năng của vật liệu thể hiện đủ điều kiện cho một ứng dụng cụ thể Tính tương hợp của mô đối với mô ghép phụ thuộc vào vô số các nhân tố, từ các tính chất hoá học, vật lý học và sinh học của vật liệu cho đến hình dạng và cấu trúc của mô ghép Trong trường hợp của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học, khả năng hoạt động tương hợp phải được chứng minh qua thời gian Các tính chất hoá học, vật lý, cơ học và sinh học của vật liệu có khả năng

phân huỷ sinh học sẽ thay đổi theo thời gian và các sản phẩm của sự phân hủy có thể được tạo ra với các mức độ tương hợp với mô khác nhau so với vật liệu ban đầu

Một vài tính chất quan trọng của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học dùng làm vật liệu y-sinh có thể được tóm tắt như sau [3,22]:

• Vật liệu không được gây viêm nhiễm hoặc gây độc đến các mô ghép trong cơ thể,

• Vật liệu phải có thời gian sử dụng chấp nhận được,

• Thời gian phân huỷ của vật liệu phải phù hợp với quá trình hàn gắn hoặc quá trình tái sinh (như chỉ khâu tự tiêu),

• Vật liệu phải có đủ các tính chất cơ học để ứng dụng và có sự thay đổi tính chất cơ học với sự phân huỷ phù hợp với quá trình hàn gắn và quá trình tái sinh,

• Các sản phẩm phân huỷ không được độc hại, có khả năng chuyển hoá

và được loại bỏ khỏi cơ thể,

• Vật liệu phải có khả năng dễ gia công đối với ứng dụng định hướng Một vài tính chất vốn có của vật liệu polyme sinh học có thể ảnh hưởng đến khả năng tương hợp của chúng, bao gồm: tính chất hoá học của vật liệu, khối lượng phân tử, khả năng hoà tan, hình dạng và cấu trúc của mô ghép, tính ưa nước (hoặc kỵ nước), tính nhờn, năng lượng bề mặt, khả năng hấp thụ nước, cơ chế phân huỷ

Những yêu cầu và phạm vi ứng dụng đa dạng của vật liệu polyme sinh học như vậy chỉ có thể có được ở vật liệu sinh học lý tưởng Điều này nhấn mạnh đến sự cần thiết lựa chọn trong một phạm vi rộng các vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học sẵn có cho việc chế tạo mô ghép, bộ phận hay dụng

cụ phù hợp với các yêu cầu cụ thể và độc đáo của mỗi ứng dụng y học riêng biệt Các nỗ lực hiện tại trong việc tổng hợp polyme có khả năng phân huỷ sinh học đã được tập trung theo từng ứng dụng cụ thể bởi như vậy nó sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với chế tạo vật liệu đa năng Mặt khác, người ta còn sử dụng vật liệu tổ hợp (polyme blend) để kết hợp các tính năng của các vật liệu thành phần, qua đó làm tăng nhanh số lượng các vật liệu polyme sinh học mới [23,24,25]

Các vật liệu polyme có khả năng phân huỷ sinh học đang được nghiên cứu để phát triển chế tạo các dụng cụ, thiết bị giả để thay thế các bộ phận, cấu trúc xốp 3 chiều làm những giá đỡ cho mô và tác nhân vận chuyển thuốc có khả năng kiểm soát được Một vài ứng dụng y-sinh học hiện tại của các vật liệu polyme có khả năng phân huỷ sinh học bao gồm: các mô lớn như các vít

xương,…; các mô ghép nhỏ như ghim, chỉ khâu; tá dược lỏng có khả năng vận chuyển thuốc có kích cỡ nano hoặc micro, màng trơn để tái sinh mô và mạng lưới đa sợi hay cấu trúc xốp cho kỹ thuật mô [26] Các phương thức kỹ thuật mô sử dụng kết cấu có khả năng phân huỷ sinh học để lắp ráp các tế bào, phát triển các mô chức năng Vật liệu polyme với một phạm vi rộng các tính chất cơ học và khả năng phân huỷ là cần thiết để có thể bắt chước các tính chất của các mô khác nhau Trong sự vận chuyển thuốc có kiểm soát, các tác nhân độc hại sinh học được giữ trong nền polyme có khả năng phân huỷ sinh học mà ở đó sự ăn mòn, phân tán hoặc kết hợp cả hai là có thể kiểm soát được Sự giải phóng các đặc tính của các tác nhân gây độc có thể được điều chỉnh một cách hiệu quả bằng cách điều chỉnh hợp lý các thông số nền

Do tính đa năng và ưu việt của các vật liệu polyme nói chung và polyme sinh học nói riêng, nên chúng nhanh chóng thay thế các loại vật liệu khác như kim loại, hợp kim, gốm sứ trong việc sử dụng sử trong y-sinh học Năm 2003, việc bán các vật liệu polyme sinh học đã vượt quá 7 tỉ USD, chiếm khoảng gần 88% tổng số vật liệu sinh học trên thị trường trong năm đó [27] Người ta

dự đoán rằng vào năm 2010, thị trường các vật liệu polyme sinh học sẽ đạt mức 11,9 tỉ USD tạo tiền đề cho một thị trường vật liệu polyme sinh học lớn trong những thập kỉ sắp tới

Trong những năm qua, ngoài việc tiếp tục nghiên cứu các polyme tự nhiên phân hủy sinh học, trên thế giới tập trung nghiên cứu, ứng dụng vào các loại polyme tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học theo các hướng sau [28]:

- Polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở các poly(α-esters) như PLA, PGA, PLGA,

đựng các loại, các đồ dùng (ca, cốc, khay, hộp đựng …) chỉ dùng một lần, người ta còn sử dụng PLA, PGA, đặc biệt sản phẩm đồng trùng ngưng PLGA để tạo ra hàng loạt các sản phẩm được ứng dụng trong y tế (chỉ khâu y tế, chất gắn xương, cấy ghép mô, chất giải phóng thuốc ) [2,29] Bên cạnh đó, các sản phẩm chế từ PLA, PGA và PLGA rất dễ phân huỷ trong môi trường trong khoảng thời gian từ 2 đến

24 tháng, phân huỷ đến phân tử thấp là các monome, khí cacbonic và nước Những chất này hoàn toàn thân thiện với môi trường [3,30] Mặt khác nguyên liệu tạo ra chúng (đặc biệt là PLA) có nguồn gốc từ thiên nhiên như ngũ cốc, tinh bột, lúa mì, mạch, đường Sau quá trình lên men tạo ra Lactic axit, từ đó thông qua con đường dime hoá và trùng hợp tạo thành PLA Quá trình phân huỷ của PLA tạo ra các sản phẩm thấp phân tử có tính hòa hợp với thiên nhiên Như vậy là một quy trình từ thiên nhiên tạo ra sản phẩm và từ sản phẩm quay trở lại thiên nhiên Quy trình trên rất có ý nghĩa về mặt khoa học và môi trường [29,30]

Những nghiên cứu để phát triển, ứng dụng polyme tổng hợp phân hủy sinh học ngày nay không chỉ tập trung tổng hợp các polyme, copolyme mới

có khả năng phân hủy sinh học mà trong những năm gần đây người ta còn tập trung vào chế tạo những vật liệu polyme blend, polyme nanocompozit có khả năng phân hủy sinh học trên cơ sở các vật liệu polyme phân hủy sinh học truyền thống như PGA, PLA, PLGA, [31], do vậy đã mở ra những khả năng ứng dụng rộng rãi trong y-sinh-dược học của vật liệu này

Để nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học, người

ta đã sử dụng nhiều phương pháp hóa học và vật lý khác nhau đặc biệt là các phương pháp sắc ký thấm qua gel, phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và 13C-NMR, phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA), phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua, [29,32]

Hiện nay, đã có rất nhiều sản phẩm thương mại của PLA, PGA và PLGA cũng như các polyme tổng hợp phân hủy sinh học khác đã được thương mại hóa như: Nature networkR, VicrylR, DexonR, MaxonR, BondekR, BiofixR, ZoladexR, Eco-plaR, LaceaR [8,29] Song những nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục được phát triển mạnh mẽ

1.2.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy

sinh học ở Việt Nam

Như phần trên đã trình bầy, hướng nghiên cứu phát triển vật liệu polyme phân hủy sinh học (so với các vật liệu khác) là hướng nghiên cứu còn khá mới

mẻ trên thế giới Song trong những năm qua ở nước ta đã có một số cơ sở như

Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme (Đại học Bách khoa Hà Nội), Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam, Viện Hoá học (Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam) và mới gần đây nhất là Trung Tâm nghiên cứu môi trường và phát triển bền vững- trường Đại học KHTN- Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tiến hành nghiên cứu về “polyme phân huỷ sinh học”

Những nghiên cứu đầu tiên theo hướng này đã được thực hiện trước hết tập trung vào vật liệu biến tính polyetilen bằng tinh bột với các phụ gia tương hợp chủ yếu từ polyetilen maleic hóa và các phụ gia khác [33,34,35] Những kết quả trên bước đầu được triển khai ứng dụng vào thực tế là sản xuất các loại màng phủ, bầu ươm cây phục vụ cho lĩnh vực nông, lâm nghiệp đã mang lại kết quả khả quan Đáng chú ý trong hướng nghiên cứu này là nhóm nghiên cứu tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam, đã bắt đầu nghiên cứu vật liệu

tự hủy từ khoảng trước những năm 2000 Giai đoạn 2001-2003, nhóm tác giả này đã thực hiện thành công đề tài cấp Nhà nước (Mã số KC 02.09), đã chế tạo màng mỏng tự hủy trên cơ sở LDPE với tinh bột sắn, có sự tham gia của các chất trợ phân tán, trợ tương hợp, các loại phụ gia quang hóa, oxy hóa, phụ gia phân hủy, Những kết quả nghiên cứu không chỉ đăng tải trong một số công trình trên các tạp chí và hội nghị khoa học chuyên ngành [36,37,38] mà còn chế tạo ra các loại màng tự phân hủy và triển khai ứng dụng thử để trồng Lạc, trồng Ngô tại nông trường Thanh Hà và trồng bông tại một số địa phương ở Ninh Thuận bước đầu cho kết quả tốt Hiện tại công nghệ đang được chào bán rộng rãi

Từ khoảng 5 năm trở lại đây, bên cạnh việc tiếp tục hoàn thiện, triển khai ứng dụng các kết quả nghiên cứu về vật liệu phân hủy sinh học trên cơ sở blend tinh bột với PE, một số tác giả đã tập trung nghiên cứu chế tạo các loại polyme phân hủy sinh học trên cơ sở lactic (từ các sản phẩm nông nghiệp Việt Nam) để tạo ra polylactic Trong số đó có nhóm cán bộ nghiên cứu của Viện KH&CN Việt Nam đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu sản xuất bao bì dễ phân hủy sinh học từ polylactic trên

cơ sở nguồn Lactic axit tạo ra bằng phương pháp lên men vi sinh vật” Kết quả đề tài, các tác giả đã chọn ra được 2 chủng vi khuẩn Lactococcus lactis subsp lactis HN11 Lactobacillus delbrueckii subsp delburueckii HN34 có khả năng sinh trưởng trong môi trường nước rau cải, bắp cải, nước giá, nước cà chua Các loại khuẩn này sử dụng tổng hợp Lactic axit bằng lên men trong môi trường gồm glucoza, cao thịt và cao nấm men đạt hiệu suất chuyển hóa gần 85% Trên cơ sở Lactic axit tổng hợp được, các tác giả đã tổng hợp ra polylactic (PLA) theo quy trình 2 bước là tạo oligome (O-PLA) không dùng xúc tác Tiếp đó dùng

xúc tác SnCl2 và SnO để chuyển O-PLA thành L-Lactit rồi dùng xúc tác SnO

để chuyển L-Lactit thành PLA có khối lượng phân tử trung bình từ 40.000 - 70.000 Từ PLA thu được, các tác giả đã tạo blend PLA/chitosan với tỷ lệ khác nhau và tạo ra màng vật liệu này có khả năng phân hủy tới 60% sau khi chôn lấp 3 tháng [39] Những kết quả nghiên cứu được các tác giả công bố trong một số công trình trên tạp chí và hội nghị khoa học chuyên ngành trong nước và quốc tế [40,41,42] Tuy nhiên, theo kết luận của Hội đồng nghiệm thu, mục tiêu ứng dụng vật liệu này làm bao bì là không hợp lý (vì giá thành quá cao) mà nên tiếp tục nghiên cứu và chuyển hướng cho những ứng dụng làm vật liệu y-sinh

Cũng theo hướng nghiên cứu về polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polylactic, nhóm cán bộ nghiên cứu tại ĐHBK Hà nội đã nghiên cứu chế tạo

và tính chất của blend trên cơ sở polylactic với tinh bột và thấy rằng: ở tỷ lệ 80/20 vật liệu có tính chất tốt nhất, có khả năng phân hủy nhanh trong môi trường đất trồng trọt song tính năng cơ lý còn thấp [43] Bên cạnh đó, theo thông tin chúng tôi được biết thì hiện tại nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu môi trường và phát triển bền vững -Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN chủ trì nghiên cứu chế tạo polyme có khả năng phân hủy sinh học trên cơ sở axit L-lactit hoặc nhóm nghiên cứu tại Phân Viện khoa học Vật liệu tại Thành phố Hồ Chí Minh - thuộc Viện KH&CN Việt Nam cũng đang có những nghiên cứu theo hướng này

Như vậy có thể thấy, những kết quả nghiên cứu trong nước mới chỉ tập trung vào hai loại vật liệu là polyme phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với nhựa nhiệt dẻo (đã có những kết quả ứng dụng bước đầu) còn các nghiên cứu khác mới chỉ là sơ khai và tập trung vào một đối tượng là chế tạo PLA từ nguồn Lactic axit thu được bằng lên men vi sinh vật Song ở vật liệu này cũng chưa có những nghiên cứu sâu về cơ chế phân hủy cũng như khả năng ứng dụng đa dạng của nó Những nghiên cứu với các vật liệu

có khả năng phân hủy sinh học khác chưa thấy được đề cập tới

Từ các nội dung trên cho thấy rằng, lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học vô cùng lý thú, có ý nghĩa khoa học, hiệu quả kinh tế, xã hội và nhân văn cao Nó không chỉ có ý nghĩa về bảo vệ môi trường mà còn đóng vai trò quan trọng để chăm sóc, bảo vệ sức khỏe, kéo dài tuổi thọ cho con người Về lĩnh vực này, mặc dù mới chỉ phát triển từ khoảng trên ba chục năm trở lại đây song đã thu được nhiều thành tựu rực rỡ, đặc biệt những ứng dụng trong y-sinh-dược học Trong khi đó ở nước ta tất cả mới chỉ

là bước đầu, mặc dù đội ngũ nghiên cứu của chúng ta trong lĩnh vực này cũng khá mạnh Bên cạnh đó, các các phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng

trong nghiên cứu phát triển và ứng dụng polyme phân hủy sinh học (mà thế giới sử dụng) hiện tại đã được trang bị tại nhiều cơ quan nghiên cứu và giảng dạy ở Việt Nam Đây là cơ sở để chúng ta có thể tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu còn rất rộng mở này Vì vậy, rất cần được sự quan tâm thích đáng của các cơ quan quản lý, sự nhiệt tình của các nhà chuyên môn để phát triển hướng nghiên cứu này, thông qua đó góp phần đưa ngành công nghệ vật liệu nước nhà sớm tiếp cận với những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực công nghệ vật liệu của thế giới

1.3 POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ LACTIC AXIT, GLYCOLIC AXIT VÀ COPOLYME CỦA CHÚNG

1.3.1 Giới thiệu chung về polyme phân hủy sinh học trên cơ sở lactic axit, glycolic axit và copolyme của chúng

Nghiên cứu nửa đầu thế kỉ 20 với polyme tổng hợp được từ glycolic axit

và α- hydroxy axit khác "bị cấm" phát triển bởi vì các vật liệu này quá không

ổn định đối với các ứng dụng công nghiệp về lâu dài Tuy nhiên, tính rất không ổn định do khả năng có thể phân hủy sinh học đã chứng minh tính chất

vô cùng quan trọng trong các ứng dụng y-sinh học trong 3 thập kỷ qua Polyme được điều chế từ glycolic axit và lactic axit có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp mà đặc biệt là trong y dược, bắt đầu với các chỉ khâu có khả năng tự tiêu được chấp nhận lần đầu vào những năm 1960 [44] Kể từ đó,

có rất nhiều các ứng dụng trong y học dựa trên lactic và glycolic axit cũng như các vật liệu khác, bao gồm poly (dioxanon), poly (trimethylen cacbonat) copolyme và poly (ε-caprolactone) homopolyme và copolyme đã được chấp nhận để làm các bộ phận, dụng cụ thay thế trong cơ thể người cũng như tác nhân mang thuốc [8, 45]

Polyglycolit có thể được xem như là một trong số những polyme tổng hợp

có khả năng phân huỷ sinh học được nghiên cứu cho các ứng dụng y-sinh học đầu tiên Polyglycolit là polyme có độ tinh thể cao (45-55% tinh thể) và do đó

có modul đàn hồi cao với khả năng tan trong dung môi hữu cơ rất thấp Nhiệt

độ thuỷ tinh hoá của polyme từ 35oC đến 40oC và nhiệt độ nóng chảy lớn hơn

200oC Do có khả năng tạo sợi rất tốt, polyglycolide lần đầu được nghiên cứu

để tạo các chỉ khâu có khả năng tự tiêu dùng trong y học với sản phẩm thương mại là DEXON được chấp nhận bởi tổ chức FDA vào năm 1969 Tiếp theo người ta sản xuất vải không dệt làm giá đỡ nền cho tái sinh mô, thay thế da cũng như các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người khác Ngày nay, mặc dù đã

có nhiều sản phẩm dùng cho y-sinh và dược trên cơ sở PGA đã được thương