Luận án tiến sĩ Nghiên cứu tổng hợp vật liệu polyme trên cơ sở Polyvinyl ancol (PVA) biến tính với tinh bột, ứng dụng làm màng sinh học trong xử lý và điều trị vết thương (TT)

Mục tiêu và nội dung của luận án Mục tiêu là nghiên cứu nhằm tổng hợp vật liệu polyme trên cơ sởpolyvinyl ancol PVA biến tính với tinh bột, ứng dụng làm màng sinh học sử dụng trong việc

A- GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Tính cấp thiết của đề tài

Do yêu cầu cấp bách về bảo vệ sức khỏe của con người và cộng đồng,cùng với yêu cầu về phát triển sản phẩm mới, đồng thời để đáp ứng nhucầu của thực tế công nghiệp và đời sống đặt ra, việc nghiên cứu tổng hợppolyme sinh học với nhiều tính chất ưu việt là vô cùng cần thiết Để điềutrị chữa bỏng và xử lý vết thương người ta có thể sử dụng màng sinh họcthay thế gạc bỏng từ polyme sinh học như: collagen, chitin và chitosan, tuycác loại màng trên cơ sở các collagen khác nhau đã được chế tạo nhưngchúng vẫn còn mang những tính chất không mong muốn của collagen gốcnhư tạo ra dạng que, gia tăng sự biểu hiện gen collagen trong nguyên bàosợi Chế tạo màng sinh học dạng lai tạo cũng là một hướng quan trọngkhác trong công nghệ sinh y học, do màng polyme sinh học có ưu điểm làkhi được cấy lên vết thương, nó có khả năng thấm nước, thấm khí, chốngnhiễm khuẩn và làm khô da, giúp da tái tạo nhanh và phục hồi mà khônglàm bệnh nhân đau, không để lại sẹo

Trong số các loại polyme tổng hợp đó thì polyvinyl ancol (PVA)

và tinh bột là hai loại đã được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứuhướng tới những ứng dụng trong lĩnh vực y học Nguyên nhân là do: PVA

và tinh bột đều là những nguyên liệu tan tốt trong nước, có tính tương hợpsinh học cao, cả hai đều không độc và khi đã được khâu mạch, màng mỏng

từ chúng có những tính chất cơ học tuyệt vời như: có tính năng cơ, lý tốt, có

độ thấm nước và khí oxy cao Đặc biệt hiện nay, nhiều công trình tập trungnghiên cứu vật liệu polyme trên cơ sở PVA biến tính tinh bột để chế tạothành băng gạc, làm màng sinh học dùng để chữa trị các vết thương bịbỏng do lửa, nhiệt, xăng, bom, thuốc nổ, nước nóng… Ngoài ra, màngsinh học này còn được sử dụng để xử lý và điều trị các vết thương bị gây rabởi các nguyên nhân khác như: chấn thương, tai nạn giao thông, tai nạnlao động, hệ quả của bệnh tiểu đường, sau xạ trị ung thư, các vết mổ nhiễmtrùng, vv…

2 Mục tiêu và nội dung của luận án

Mục tiêu là nghiên cứu nhằm tổng hợp vật liệu polyme trên cơ sởpolyvinyl ancol (PVA) biến tính với tinh bột, ứng dụng làm màng sinh học

sử dụng trong việc điều trị và xử lý vết thương

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ, lý, hóa củamàng PVA/TB cấu trúc lưới như: tỷ lệ các thành phần tham gia như: PVA,hàm lượng tinh bột sắn biến tính, hàm lượng chất hóa dẻo, hàm lượng chất

khâu mạch, hàm lượng chất xúc tác; các điều kiện thực hiện phản ứngnhư: nhiệt độ, thời gian, tốc độ khuấy, xác định được điều kiện công nghệtối ưu để chế tạo sản phẩm.

Đã xây dựng được mối quan hệ giữa cấu trúc mạng lưới và tính chấtcủa polyme PVA biến tính tinh bột (mật độ khâu mạch; khối lượng phân tửtrung bình giữa các nút lưới, tính chất cơ lý, độ trương, độ thẩm thấu, hệ sốkhuếch tán, ) Những kết quả đó làm rõ ý nghĩa khoa học của luận án.Những kết quả đánh giá khả năng thủy phân invitro, đánh giá các chỉtiêu sinh hóa của màng và những kết quả thử nghiệm trên động vật (thỏ)của màng sinh học PVA/TB cho thấy những giá trị ứng dụng thực tiễn của

đề tài luận án

4 Những đóng góp mới của luận án

- Lần đầu tiên tại Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu sử dụng tinh bột

sắn biến tính và polyvinyl ancol dạng xơ để chế tạo màng polyme sinh họcPVA/TBbt, với việc sử dụng glutaraldehyt (GA) làm tác nhân khâu mạch

Đã tìm ra các điều kiện tối ưu (phối liệu các thành phần); điều kiện phảnứng, ) để chế tạo màng Sản phẩm có tính chất cơ lý tốt, có khả năngtrương nở, chỉ tiêu sinh hóa phù hợp có thể dùng làm màng da trong kỹthuật chữa trị vết thương

- Ảnh hưởng và vai trò của chất tạo lưới glutaraldehyt đến mật độ phân

bố lưới (n); khối lượng phân tử (KLPT) trung bình giữa hai nút lưới (Mc),kích thước giữa các mắt lưới (ξ), khả năng thẩm thấu hơi nước và độtrương của màng PVA biến tính với tinh bột đã được xác định Với hàmlượng chất tạo lưới là 0,3% mật độ phân bố lưới đạt 3,258 x 10-4mol/cm3,

Mc đạt 1950 g/mol, và ξ đạt 227Ao, độ thẩm thấu hơi nước đạt 3,15.10-4g/cm2.h

- Đã xây dựng được mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của polymelưới trên cơ sở nhựa PVA với tinh bột biến tính sử dụng GA làm chất khâumạch, góp phần củng cố lý thuyết về các polyme cấu trúc mạng lưới

Hệ số khuếch tán salicylic (SA) của màng PVA/TB đã được xác địnhvới giá trị là 4,15.10-6 cm2/s Kết quả này cho thấy màng PVA/TB thíchhợp được dùng làm màng da nhân tạo để xử lý và hồi phục vết thương

- Đã xây dựng quy trình công nghệ chế tạo màng PVA/TB có tính ổnđịnh nhất Khả năng ứng dụng màng PVA biến tính tinh bột trong việcchữa trị vết thương đã được đánh giá thông qua các kết quả xác định cácchỉ tiêu kim loại nặng, độ vô khuẩn và thử nghiệm trên động vật, vv

5 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 130 trang bao gồm các phần: Mở đầu 3 trang, chương 1: tổngquan có 40 trang, chương 2: thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu :

19 trang, chương 3: kết quả và thảo luận 53 trang, kết luận 2 trang, một số

hình ảnh thực tế của luận án 2 trang, tài liệu tham khảo 09 trang Ngoài ratrong luận án có 43 bảng số liệu, 50 hình và sơ đồ, 134 tài liệu tham khảo

có thể xảy ra theo cơ chế ghép mạch hoặc cơ chế khâu mạch, tạo lưới hoặcnhiều phương thức khác

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu và thiết bị

2.2 Phương pháp chế tạo màng PVA biến tính tinh bột

+ Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu đầu

 Biến tính tinh bột sắn bằng phương pháp hóa học:

500g tinh bột sắn thô chưa xử lý, sử dụng 100ml HCl 0,5M để biếntính ở khoảng nhiệt độ 50-550C, khối lượng tinh bột/nước cất là 1/3 Hỗnhợp được khuấy trong 6 giờ, được để lắng, rửa và trung hoà bằng NaOH0,1N đến pH = 7 Tinh bột được lọc trong chân không, sau đó được sấy ở 500

C trong chân không đến khi đạt được khối lượng không đổi

 Pha dung dịch glutaraldehyt (GA): 1ml dung dịch GA 50% đượcpha trong 10ml etanol

+ Bước 2: Giai đoạn tạo lưới (quy trình chung):

Hỗn hợp gồm PVA dạng xơ, tinh bột sắn đã được biến tính bằng axit,glyxerin và nước cất được tính theo % khối lượng theo đơn phối liệu chomỗi dãy thí nghiệm đã định trước được đưa vào bình cầu 3 cổ có sinh hànnước hồi lưu, thời gian khuấy khoảng 1 giờ tại 80oC để tạo dung dịch đồng

được pha theo tỷ lệ ở trên vào bình cầu vào phễu nhỏ giọt, nhỏ từ từ từnggiọt dung dịch GA vào bình phản ứng Phản ứng tiếp tục được khuấy liêntục ở nhiệt độ cần khảo sát từ 60oC -100oC trong khoảng thời gian đã định

để tạo mạng lưới không gian giữa PVA và tinh bột

+ Bước 3: Giai đoạn cán tráng và hoàn thiện

Sau khi phản ứng kết thúc, dung dịch phản ứng được tạo màng bằng phươngpháp cán tráng trên kính với kích thước 120x180x1mm Chú ý tránh tạo bọttrong khi cán tráng Mẫu màng được sấy khô trong chân không ở 50oC trong 8giờ đến khối lượng không đổi, sau đó được cắt tạo mẫu theo tiêu chuẩn đểđược đo xác định tính chất cơ lý Tất cả các mẫu thí nghiệm được lưu giữ,bảo quản trong bình hút ẩm tại nhiệt độ phòng

2.3 Các phương pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc, tính chất của vật liệu

+ Các phương pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc của màng PVA/TB được xácđịnh thông qua các phương pháp nghiên cứu như: Phổ hồng ngoại (IR) được

đo trên máy Bruker-Tensor của Đức Phổ cộng hưởng từ1H-NMR và13NMR được thực hiện trên thiết bị Advance -500 hãng Bruker - Đức; Phổnhiễu xạ tia X (X-ray) được thực hiện trên thiết bị Bruker D 5005 (Đức);Tính chất nhiệt DSC và TGA được xác định trên thiết bị Perkin Elmer-Moldel Pyris Sapphire (Nhật); cấu trúc bề mặt của mẫu bằng cách chụptrên kính hiển vi điện tử quét (SEM) Jeol JMS 6360LV của Nhật Bản+ Các phương pháp nghiên cứu tính chất cơ lý được sử dụng để xácđịnh các chỉ tiêu như: độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt, độ bền khángthủng; hàm lượng phần gel và độ hút ẩm của vật liệu

C-+ Phương pháp xác định độ trương theo TCVN 2752-78;

+ Xác định mật độ khâu mạng và khối lượng phân tử giữa các nút mạng

theo phương pháp ngâm trương nở bão hòa (ở nhiệt độ phòng)

+Độ thấm thấu hơi nước được xác định theo tiêu chuẩn ASTM E96

+ Sự phân hủy thủy phân của vật liệu trong in vitro: được nghiên cứu

thông qua: độ tổn hao khối lượng và phổ sắc ký khí (GC) được sử dụng đểphân tích định lượng các sản phẩm tạo thành từ quá trình phân hủy củamàng PVA/TB trong invtro

+Xác định hàm lượng kim loại nặng của vật liệu màng PVA/TB theo

QCVN 8-1:2011/BYT Các mẫu đo hàm lượng kim loại nặng bằng thiết bịhấp thụ nguyên tử VARIAN 240F3AA Alizent (Mỹ)

+ Phương pháp thử độ vô khuẩn

Sản phẩm sau khi được đóng gói kín, được khử trùng bằng bức xạ tia γvới liều lượng 15kGy, trong 10 giờ tại trung tâm chiếu xạ Hà Nội (ViệnNăng lượng-Viện KH&CNVN), sau đó được đem thử độ vô khuẩn theodược điển Việt Nam, 2002

2.4 Phương pháp thử nghiệm trên động vật

+ Kiểm tra độ kích ứng da

+ Đánh giá khả năng hồi phục vết thương của màng PVA/TB

+ Kiểm tra độc tính màng PVA/TB

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.Tổng hợp polyvinyl ancol (PVA) biến tính tinh bột

Trước hết, luận án trình bày những kết quả nghiên cứu khảo sát ảnhhưởng của các điều kiện phản ứng đến tính chất cơ, lý, hóa của polyme (tỷ

lệ thành phần tham gia, tỷ lệ phụ gia liên kết, chất khâu mạch, chất hóadẻo, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ, thời gian, tốc độ khuấy, vv…) nhằm đểxác định các điều kiện tổng hợp và đơn phối liệu tối ưu Những dãy thínghiệm khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố đến tính chất cơ lý của sảnphẩm là rất cần thiết, kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày sau đây:

3.1.1 Ảnh hưởng của các loại PVA và tinh bột cho tổng hợp vật liệu PVA biến tính tinh bột

Bảng 3.1 Một số tính chất cơ lý của 3 loại PVA

STT Tính chất Đơn vị PVA xơ PVA205 PVA 217

/TB PVA205/TBMàng PVA217/TBMàng

1 Độ bền kéo đứt,

3.1.2 Ảnh hưởng của tinh bột biến tính đến tính chất của vật liệu PVA biến tính tinh bột

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tinh bột biến tính đến tính chất của

PVA/TB

bột chưa biếntính

Màng PVA/tinh bột

3.1.3 Ảnh hưởng của các thành phần tham gia phản ứng đến tính chất của màng PVA biến tính với tinh bột

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần PVA /TB đến tính chất cơ

lý của màng PVA biến tính tinh bột

độ dãn dài cũng giảm từ 435,0% xuống còn 32,5 % Vậy để đảm bảo tínhchất của màng PVA/TB tốt, thỏa mãn yêu cầu về độ bền cơ học tỷ lệ thànhphần PVA/TB thích hợp cho tổng hợp polyme sinh học là 80/20 PKL.Theo hình 3.1 cho thấy : khi tăng hàm lượng chất hóa dẻo từ 0 đến 50% khốilượng; độ bền kéo của vật liệu polyme giảm dần từ 26,43 MPa xuống còn 10,15 MPa,

độ bền kháng thủng giảm từ 64,18MPa xuống còn 26,9 MPa Tuy nhiên độ dãn dàilại khác: khi hàm lượng glyxerin tăng từ 0 đến 30% khối lượng; độ dãn dàităng lên từ 169,0 đến 548,5%, nếu tiếp tục tăng hàm lượng glyxerin lên caohơn 30% khối lượng; độ dãn dài giảm từ 548,5% xuống còn 385,3% Do

đó, với hàm lượng glyxerin là 30% GL thích hợp được sử dụng tổng hợp màng

da nhân tạo PVA/TB

Hình3.1 Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng glyxerin đến độ bền kéo, độ bền kháng

thủng và độ dãn dài khi đứt của PVA biến tính tinh bột

Đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng GA đến tínhchất cơ lý của PVA biến tính tinh bột, kết quả đo độ bền cơ lý của màngPVA biến tính tinh bột được trình bày trong bảng 3.7

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng GA đến tính chất cơ lý của

KMPa]

Độ bềnkhángthủng,[MPa]

Độdãndài

[%]

Độ hút ẩm,sau 30 ngày,[%]

Đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng của các loạichất xúc tác đến tính chất cơ lý của màng polyme PVA/TB

Hình 3.2 Ảnh hưởng của loại xúc tác đến tính chất của cơ lý của màng

thủng, MPa

Độ dãn dài.

% 29.83 53.38

519.6

365.9

Xúc tác HCl Xúc tác H2SO4

Hình 3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác HCl đến tính

chất cơ lý của PVA biến tính tinh bột

Kết quả thu được trình bày trong hình 3.2 và hình 3.3, axit HClđược sử dụng làm tác nhân xúc tác cho phản ứng tạo màng PVA/TB chotính chất cơ lý của màng tốt hơn Tại hàm lượng xúc tác HCl 0,05%, tínhchất cơ lý của màng PVA/TB cao nhất, nên hàm lượng HCl thích hợp được

sử dụng để tổng hợp polyme PVA/TB là 0,05%

3.1.4 Các điều kiện tối ưu tổng hợp màng PVA biến tính tinh bột.

Ngoài nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần tham gia phảnứng, các yếu tố ảnh hưởng hưởng đến tính chất cơ lý của màng PVA/TBkhác cũng được lần lượt tiến hành như: nhiệt độ, thời gian và tốc độkhuấy:

+ Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng tạo lưới để tạomàng PVA/TB, các điều kiện phản ứng được giữ nguyên không thay đổi,

ở đây chúng tôi chỉ thay đổi nhiệt độ phản ứng từ 60-100oC Kết quả đo

độ bền cơ lý của màng PVA biến tính tinh bột cho thấy: khi nhiệt độ phảnứng < 60oC phản ứng không xảy ra do chưa đạt đến nhiệt độ hòa tan PVA

xơ Khi nhiệt độ tăng từ 70oC đến 80oC phản ứng xảy ra êm dịu, tốc độphản ứng tăng lên làm phản ứng khâu mạch diễn ra nhanh, do đó tính chất

cơ lý của vật liệu PVA/TB tăng Tuy nhiên tiếp tục tăng nhiệt độ phảnứng lên, tính chất cơ lý của màng da nhân tạo trên cơ sở PVA biến tínhvới tinh bột giảm Cụ thể: độ bền kéo giảm từ 27,8MPa xuống 25,58MPa;

độ bền kháng thủng giảm từ 54,79MPa xuống 45,78MPa; độ dãn dài giảm

từ 522,5% xuống 347,3% Vì vậy, nhiệt độ thích hợp dùng để khâu mạch

tạo lưới PVA với tinh bột sử dụng tác nhân tạo lưới glutaraldehyt trongquá trình tổng hợp màng PVA/TB là 80oC.

+ Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến phản ứng tổng hợp vậtliệu PVA biến tính với tinh bột, các điều kiện phản ứng được giữ nguyênkhông thay đổi Ở đây, thời gian phản ứng sau khi cho dung dịch GA chovào hỗn hợp PVA, tinh bột và glyxerin đồng nhất được thay đổi theo thứ

tự từ 1 giờ; 1,5 giờ; 2 giờ, 2,5 giờ; 3 giờ; 3,5 giờ và 4 giờ Kết quả đo độbền cơ lý của màng PVA/TB cho thấy: khi thời gian phản ứng là 3 giờ,tính chất cơ lý của màng PVA/TB cao nhất:, độ bền kéo 27,58 MPa, độbền kháng thủng 54,78MPa và độ dãn dài tăng 520,3% Vì vậy, thời gianthích hợp để tổng hợp màng PVA biến tính với tinh bột là 3 giờ

+ Để khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến phản ứng tổng hợpvật liệu PVA biến tính với tinh bột, các điều kiện phản ứng được giữnguyên không thay đổi, ở đây chúng tôi chỉ thay đổi tốc độ khuấy phảnứng trong khoảng từ 50 vòng/phút đến 500 vòng/phút Kết quả đo độ bền

cơ lý của màng PVA/TB cho thấy: ở tốc độ khuấy 400 vòng/phút phảnứng tổng hợp màng PVA/TB cho độ bền cơ học cao nhất: độ bền kéo29,7MPa; độ bền kháng thủng 55,35MPa và độ dãn dài tăng từ 268,5%lên 520,8%, nên được chọn để tổng hợp màng PVA/TB

Từ kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần tham gia phảnứng(tỷ lệ PVA/TB; hàm lượng glyxerin; hàm lượng glutaraldehyt, xúctác ) và của các điều kiện phản ứng tạo lưới (nhiệt độ, thời gian, tốc độkhuấy ) đến tính chất cơ lý của màng PVA/TB như đã trình bày ở trên cóthể tổng hợp các điều kiện phản ứng thích hợp cho quá trình tổng hợppolyme trên cơ sở PVA biến tính với tinh bột như sau:

Bảng 3.9: Các điều kiện tổng hợp PVA biến tính tinh bột

3 Chất hóa dẻo glyxerin (theo tổng khối

4 Glutaraldehyt (GA) (theo tổng khối lượng

3.2 Đặc trưng cấu trúc của polyvinyl ancol (PVA) biến tính tinh bột 3.2.1 Phổ hồng ngoại của màng PVA biến tính tinh bột

So sánh các phổ cho thấy: có sự chuyển dịch của các píc đặc trưngcho các dao động biến dạng của các liên kết nhóm chức, nguyên nhân là docác phân tử tinh bột và các chất phụ gia xen vào giữa các mạch phân tửPVA Tại phổ hồng ngoại PVA/TB xuất hiện đỉnh píc có píc có bước sóng1728,8 cm-1 đặc trưng cho nhóm aldehyt (CHO), điều này chứng tỏglutaraldehyt đã tham gia phản ứng tạo liên kết ngang giữa PVA với tinhbột Nguyên nhân là do glutaraldehyt (GA) có khả năng hình thành cácliên kết hemiaxetal với nhóm hydroxyl có trong PVA và tinh bột để tạo ramột mạng lưới có liên kết chặt chẽ giữa các mắt xích trong mạch polyme

3.2.2 Kết quả phân tích cộng hưởng từ hạt nhân của màng PVA/TB

PVA/TB

Từ hình 3.9 phổ cộng hưởng từ hạt nhân1H-NMR của PVA cho thấy:Các tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 1,5-1,67 ppm đặc trưng cho protontrong nhóm liên kết –CH3 Các tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 1,86-2,02 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm liên kết –CH2 Nhóm tín hiệu

có độ dịch chuyển hóa học từ 3,9 3,95 ppm đặc trưng cho proton trongnhóm -CH

Từ hình 3.10 phổ cộng hưởng từ hạt nhân1H-NMR của PVA/TB chothấy: nhóm tín hiệu có độ dịch chuyển hóa học từ 1,46 2,04 ppm đặctrưng cho proton trong nhóm –CH3 Các nhóm tín hiệu có độ dịch chuyểnhóa học trong khoảng từ 3,84,7 ppm đặc trưng cho proton trong nhóm –

CH Các tín hiệu có độ chuyển dịch hóa học 1,89-2,04 ppm đặc trưng choproton trong nhóm liên kết –CH2 Đặc biệt xuất hiện 3 nhóm tín hiệu liêntiếp có độ chuyển dịch hóa học trong khoảng 3,45-3,70 ppm đặc trưng cho

CH2-CHO) Điều này chứng tỏ trong cấu trúc phân tử vật liệu PVA/TBxuất hiện liên kết ngang glutaraldehyt có tác dụng khâu mạch tạo lưới giữamạch phân tử PVA với tinh bột.

3.2.3 Phân tích phổ XRD của PVA và màng PVA/TB

màng trên cơ sở PVA biến tính tinh bột

So sánh 2 phổ XRD của PVA và màng PVA/TB trên hình 3.11 vàhình 3.13 cho thấy: cường độ píc đặc trưng của màng PVA/TB tại gócnhiễu xạ 19,6othấp hơn so với cường độ píc đặc trưng của màng PVA tạigóc nhiễu xạ 20,4o, nguyên nhân là do tinh bột đã xen vào các mạch phân

tử PVA làm giảm giảm cường độ píc, nhưng đã làm tăng độ rộng của píc

so với PVA và tinh bột riêng rẽ

3.2.4 Phân tích nhiệt DSC và TGA của PVA và màng PVA/TB

Hình 3.13 Phổ phân tích nhiệt DSC của