MỞ ĐẦU Trên thế giới, vật liệu polyme tự phân hủy và phân huỷ sinh học đã đƣợc nghiên cứu chế tạo để sử dụng trong các lĩnh vực nhƣ nông, lâm nghiệp, chế biến thực phẩm và y tế. Năm 1980, trên thế giới mới chỉ có 7-12 sáng chế trong lĩnh vực này. Con số đó tăng lên 1.500 sáng chế trong 10 tháng đầu năm 2003 [17]. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở tinh bột (tổng hợp từ amylo và amylo pectin), xenlulo, agaro, carrageenan; polysaccarit động vật nhƣ chitin và glycos-aminoglycan; các loại protein nhƣ collagen/gelatin, casein, keratin, fibroin, polyvinylancol... cũng nhƣ các polyme blend trên cơ sở các polyme này với các nhựa nhiệt dẻo nhƣ polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở tinh bột với các polyolefin [37, 101]. Trong số các polyme có khả năng phân hủy sinh học, poly(lactic axit) (PLA) đƣợc nghiên cứu nhiều nhất do có nhiều tính chất giống một số polyme nhiệt dẻo (polyetylen, polypropylen, polyvinyl clorua…) nhƣ độ bền kéo lớn, mođul đàn hồi lớn, bền nhiệt [68, 70]. Ngoài ra, PLA còn có khả năng chống cháy, chống bức xạ tử ngoại…[57], đặc biệt là khả năng phân hủy sinh học. Chitosan (CS) là polyme có nguồn gốc thiên nhiên cũng đã đƣợc nghiên cứu rất rộng rãi do các tính năng ƣu việt của nó nhƣ không độc, phân hủy sinh học và tƣơng hợp sinh học, hơn nữa nó còn có khả năng cầm máu và kháng khuẩn cao [112]. Do đó, nghiên cứu trộn hợp các polyme PLA và CS để tạo thành vật liệu tổ hợp mới kết hợp đƣợc các ƣu điểm của 2 polyme này là rất cần thiết. Vật liệu tổ hợp PLA/CS ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu là do các polyme có sự bám dính tốt, khả năng phân huỷ sinh học, tƣơng hợp sinh học và có tính ổn định tƣơng đối cao. Một số nghiên cứu về vật liệu tổ hợp PLA/CS đã đƣợc công bố [13, 31, 67, 115], trong đó các tác giả tập trung nghiên cứu hình thái cấu trúc và khả năng phân tán của 2 pha PLA và CS. Các kết quả thu đƣợc cho thấy do PLA khác với chitosan về bản chất, cấu tạo, cấu trúc, tỉ trọng, tính ƣa nƣớc… nên sự phân tán CS trong PLA bị hạn chế. Vì vậy, nghiên cứu sử dụng các chất có khả năng trợ tƣơng hợp cho PLA và CS nhƣ polyetylen glycol (PEG), polycaprolacton (PCL), polyetylen oxit (PEO), poly(vinyl alcol) (PVA), poly(vinylpyrrolidon)… có thể giảm hiệu ứng tƣơng tác giữa các đại phân tử CS, làm cho pha CS phân tán và trộn lẫn với pha PLA dễ dàng hơn, tăng cƣờng tính chất và độ bền của vật liệu tổ hợp PLA/CS [44, 80]. /CS ứng dụng trong y sinh. Trên thế giới, vật liệu tổ hợp mang thuốc trên cơ sở PLA và CS đã và đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Hạt nanocompozit PLA/CS chứa thuốc chữa HIV nhƣ Lamivudin (đƣợc chọn làm hợp chất mô hình) đã đƣợc chế tạo bằng kỹ thuật nhũ tƣơng nƣớc/dầu/nƣớc để bọc thuốc ƣa nƣớc [31]. Vật liệu nanocompozit chitosan-PLA/MMT mang thuốc Paclitaxel (có khả năng chữa trị ung thƣ) đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nhũ tƣơng- bay hơi dung môi [79]. M. Rajan đã tổng hợp nano PLA/CS/PEG/G mang rifampicin ứng dụng trong điều trị bệnh lao [93]. Iolanda Porcar đã chế tạo poly(acrylic axit) (PAA) và poly(L- glutamic axit) (PGA) mang quinin để chữa bệnh sốt rét [49]. Hiện nay, trên thế giới chƣa có công trình công bố về vật liệu tổ hợp PLA/CS mang thuốc chống sốt rét nhƣ quinin. Vì vây, luận án này tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/CS có các chất tƣơng hợp và ứng dụng vật liệu tổ hợp PLA/CS này mang thuốc quinin phục vụ thử nghiệm điều trị bệnh sốt rét. Luận án có những mục tiêu sau: - Chế tạo đƣợc màng tổ hợp PLA/CS có sử dụng một số chất tƣơng hợp (PCL, PEG, PEO) bằng phƣơng pháp dung dịch và hạt tổ hợp PLA/CS không và có mang quinin bằng phƣơng pháp vi nhũ. - Xác định đƣợc hình thái cấu trúc, tính chất và nghiên cứu sự phân hủy của màng tổ hợp PLA/CS trong các môi trƣờng khác nhau. - Xác định đƣợc khối lƣợng thuốc quinin giải phóng từ vật liệu tổ hợp PLA/CS trong một số dung dịch có pH khác nhau và mô hình thích hợp cho quá trình trên.
Trang 1VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-
NGUYỄN THỊ THU TRANG
CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
TỔ HỢP POLYLACTIC AXIT/CHITOSAN VÀ THĂM DÕ KHẢ NĂNG MANG THUỐC QUININ CỦA VẬT LIỆU
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội, 2016
Trang 2VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-
NGUYỄN THỊ THU TRANG
CHẾ TẠO, NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP POLYLACTIC AXIT/CHITOSAN VÀ THĂM
DÕ KHẢ NĂNG MANG THUỐC QUININ CỦA VẬT LIỆU
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ
Mã số: 62.44.01.14
Người hướng dẫn khoa học: GS TS Thái Hoàng
Hà Nội, 2016
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS TS Thái Hoàng tại Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại, Viện Kỹ thuật nhiệt đới Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất đến GS TS Thái Hoàng, người thầy đã truyền kiến thức, kinh nghiệm và giúp đỡ tôi trong quá trình xây dựng và hoàn thiện luận án
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Phòng Hóa lý vật liệu phi kim loại, các đồng nghiệp ở Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hóa học, Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Công nghệ Sinh học, Khoa Hóa học các trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Đại học Sư phạm Hà Nội đã quan tâm giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận án
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ, chia sẻ và động viên tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án
Hà Nội, tháng 12/2015
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Thu Trang
Trang 4
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này là công trình nghiên cứu
do tôi thực hiện Một số nghiên cứu là thành của tập thể và đã đƣợc các đồng sự cho phép sử dụng
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc công
bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Thu Trang
Trang 5NR: Natural Rubber - Cao su tự nhiên
PAA: Poly(acrylic acid)
PCL: Polycaprolacton
PCQ: Tổ hợp PLA/CS mang quinin
PE: Polyetylen
PBT: Polybutylen terephtalat
PEG: Polyetylen glycol
PEO: Polyetylen oxit
PET: Polyetylen terephtalat
PGA: Poly glycolic axit
PLA: Polylactic axit
PLLA: Poly (L-lactic axit)
PP: Polypropylen
PPS: Polyphenylen sunphit
PVA: Polyvinyl ancol
Trang 6PVP: Polyvinyl pyrolidon
ROP: Ring Open Polymerization - Trùng hợp mở vòng
SBF: Simulated Body Fluid – Dung dịch mô phỏng cơ thể người SSP: Solid State Polymerization - Trùng hợp trạng thái rắn
Tg: Nhiệt độ thuỷ tinh hoá
THF: Tetrahydrofuran
Tm: Nhiệt độ nóng chảy
Trang 7MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3
1.1 POLY LACTIC AXIT 3
1.1.1 Tổng hợp PLA 3
1.1.1.1 Các phương pháp trùng ngưng 3
1.1.1.2 Các phương pháp trùng hợp 4
1.1.2 Cấu tạo, cấu trúc của PLA 6
1.1.3 Tính chất của PLA 7
1.1.3.1 Tính chất vật lý [22, 34] 7
1.1.3.2 Tính chất nhiệt 8
1.1.3.3 Tính chất hóa học 8
1.1.3.4 Tính thấm khí 9
1.1.3.5 Tính chất cơ học 9
1.1.4 Ứng dụng và một số sản phẩm PLA tiêu biểu 10
1.2 CHITOSAN 12
1.2.1 Cấu trúc của chitosan 12
1.2.2 Tính chất hoá học của chitosan 13
1.2.3 Ứng dụng của chitosan và dẫn xuất 17
1.3 VẬT LIỆU TỔ HỢP TRÊN CƠ SỞ PLA VÀ CS 20
1.3.1 Polyme blend 20
1.3.2 Vật liệu tổ hợp PLA với polyme không phân hủy sinh học 22
1.3.2 Vật liệu tổ hợp PLA với polyme phân hủy sinh học 24
1.3.4 Vật liệu tổ hợp PLA và chitosan 28
1.4 VẬT LIỆU TỔ HỢP TRÊN CƠ SỞ PLA, CS MANG THUỐC VÀ QUININ32 1.4.1 Vật liệu tổ hợp PLA/CS mang thuốc 32
1.4.2 Vật liệu tổ hợp mang thuốc quinin trên cơ sở PLA, CS 37
Trang 8CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 41
2.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 41
2.2 CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/CS 42
2.2.1 Chế tạo màng tổ hợp PLA/CS bằng phương pháp dung dịch 42
2.2.2 Chế tạo hạt tổ hợp PLA/CS bằng phương pháp vi nhũ 42
2.3 CHẾ TẠO HẠT TỔ HỢP PLA/CS MANG THUỐC CHỐNG SỐT RÉT QUININ 43
2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 44
2.4.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 44
2.4.2 Phương pháp phân tích nhiệt lượng quét vi sai 45
2.4.3 Nghiên cứu hình thái cấu trúc 46
2.4.4 Quang phổ tử ngoại và khả kiến 47
2.4.5 Nghiên cứu phân bố kích thước hạt 48
2.4.6 Xác định suy giảm khối lượng mẫu 50
2.4.7 Xây dựng đường chuẩn quinin trong các môi trường pH=2 và pH=7,4 50
2.5 PHÂN HỦY TỔ HỢP PLA/CS TRONG MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG 51
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52
3.1 NGHIÊN CỨU MÀNG TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP DUNG DỊCH 52
3.1.1 Nghiên cứu tỷ lệ thành phần thích hợp của màng tổ hợp PLA/CS chế tạo bằng phương pháp dung dịch 52
3.1.1.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau 52
3.1.1.2 Hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau 56 3.1.2 Khảo sát đặc trưng, tính chất và hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp chế tạo bằng phương pháp dung dịch 57
3.1.2.1 Phổ FTIR của các màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp 57
3.1.2.2 Tính chất nhiệt của màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp 63
3.1.2.3 Hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp 68
Trang 93.1.2.4 Nghiên cứu sự phân hủy của màng tổ hợp PLA/CS/PCL ngâm trong
các môi trường khác nhau 70
Tóm tắt kết quả mục 3.1 85
3.2 NGHIÊN CỨU TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI NHŨ 85
3.2.1 Phân bố kích thước hạt cuả tổ hợp PLA/CS 85
3.2.2 Phổ FTIR của hạt tổ hợp PLA/CS 88
3.2.3 Tính chất nhiệt của hạt tổ hợp PLA/CS 89
3.2.4 Hình thái cấu trúc của hạt tổ hợp PLA/CS 91
Tóm tắt kết quả mục 3.2 92
3.3 NGHIÊN CỨU HẠT TỔ HỢP PLA/CS MANG THUỐC QUININ 92
3.3.1 Phổ FTIR của hạt tổ hợp PLA/CS mang thuốc quinin 92
3.3.2 Phân bố kích thước hạt của tổ hợp PLA/CS mang thuốc quinin 95
3.3.3 Tính chất nhiệt của hạt tổ hợp PLA/C mang thuốc quinin 97
3.3.4 Hình thái cấu trúc của hạt tổ hợp PLA/CS mang thuốc quinin 99
3.3.5 Nghiên cứu giải phóng quinin từ hạt tổ hợp PLA/CS 100
3.3.5.1 Hiệu suất mang thuốc quinin của hạt tổ hợp PLA/CS 100
3.3.5.2 Xây dựng đường chuẩn của quinin trong các môi trường pH khác nhau 100
3.3.5.3 Đánh giá khả năng giải phóng thuốc quinin từ các hạt tổ hợp PLA/CS 103
3.3.5.4 Nghiên cứu động học giải phóng quinin từ hạt tổ hợp PLA/CS 108
Tóm tắt kết quả mục 3.3 115
KẾT LUẬN 116
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 117
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 119
Trang 10DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ TRONG LUẬN ÁN
Trang
Hình 1.1 Độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt của blend của PLLA với PEO 25
Hình 1.2 Ảnh SEM của màng blend có XPLLA = 0,6 (a) và PLLA nguyên sinh
(b) sau 3 giờ thủy phân enzym trong sự có mặt của Proteinaza 25
Hình 1.3 Mođun đàn hồi và độ dãn dài khi đứt của các vật liệu tổ hợp
Hình 1.4 Đường DSC của OCS, PLLA và các màng blend OCS/PLLA 31
Hình 1.5 Độ bền kéo đứt và độ giãn dài khi đứt của sợi tổ hợp PLA/CS với các
Hình 1.8 Phổ FTIR của PLA (IA), CS (IB), PLA/CS (IC), thuốc Lamivudin
Hình 1.9 Ảnh SEM của các hạt nano chitosan/PLA (A và B) và các hạt nano
Hình 1.10 (a) và (b) Ảnh SEM của hạt nano PLA/CS và hạt nano PLA/CS mang thuốc antraquinon, (c) Ảnh TEM của hạt nano PLA/CS mang thuốc antraquinon và (d) Giản đồ phân bố kích thước hạt của PLA/CS mang thuốc
Trang 11Hình 2.4 Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ) 45
Hình 2.6 Kính hiển vi điện tử quét S- 4800 (Hitachi, Nhật Bản) 47
Hình 2.8.Thiết bị phân tích phân bố kích thước hạt Zetasizer Ver 6.2 49
Hình 3.3 Phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS (80/20) 54
Hình 3.4 Liên kết hydro (a) và tương tác lưỡng cực giữa các nhóm chức trong
Hình 3.7 Phổ FTIR của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS/8%PEG (PCG8) 59
Hình 3.8 Phổ FTIR của PLA, CS, màng tổ hợp PC và PCL6 61
Hình 3.9 Liên kết hydro giữa PLA với PCL và CS (a) và tương tác lưỡng cực giữa các nhóm đặc trưng của PLA với CS và PCL (b) 63
Hình 3.10 Giản đồ DSC của PLA, CS, các màng tổ hợp PC và PCL6 64
Hình 3.11 Liên kết hydro giữa nhóm OH (CS), nhóm C-O-C (PEO) với nhóm COOH (PLA) trong màng tổ hợp PLA/CS/PEO (a) và liên kết hydro giữa nhóm
OH (CS), nhóm C-O-C(PEG) với nhóm COOH (PLA) trong màng tổ hợp
Hình 3.12 Ảnh FESEM của các màng tổ hợp PC và PLA/CS/PCL với các hàm lượng PCL khác nhau (PCL0, PCL2, PCL4, PCL6, PCL8, PCL10) 69
Trang 12Hình 3.13 Ảnh FESEM của màng tổ hợp PC và PLA/CS/PEO (PCO2, PCO6,
Hình 3.19 Cơ chế phản ứng thủy phân PLA trong môi trường kiềm 78
Hình 3.20 Cơ chế phản ứng thủy phân PLA trong môi trường axit 78
Hình 3.22 Phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28 ngày
Hình 3.23 Giản đồ DSC của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28
Hình 3.24 Ảnh FESEM của màng tổ hợp PCL6 sau khi phân hủy trong các môi trường khác nhau: (A) dung dịch NaOH 0,1N, (B) HCl 0,1N, (C) dung dịch đệm photphat, (D) dung dịch SBF và (E) môi trường có tác nhân vi sinh vật 85
Hình 3.25 Giản đồ phân bố kích thước hạt tổ hợp PLA/CS theo thể tích nước
Hình 3.26 Phổ FTIR của PLA, CS và hạt tổ hợp PLA/CS với tỷ lệ PLA/CS
Trang 13Hình 3.27 Giản đồ DSC của PLA, CS và các hạt tổ hợp PLA/CS với các tỉ lệ
Hình 3.28 Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PLA/CS với các tỉ lệ PLA/CS khác nhau 92
Hình 3.30 Phổ FTIR của quinin, các hạt tổ hợp PLA/CS (PC)
Hình 3.31 Giản đồ phân bố kích thước hạt của tổ hợp PLA/CS không và có
Hình 3.32 Liên kết hydro (a) và tương tác lưỡng cực giữa các nhóm chức
Hình 3.33 Giản đồ DSC của PLA, CS và vật liệu tổ hợp PCQ với các hàm
Trang 14pH=7,4 theo thời gian
Hình 3.43 Phương trình động học bậc 1 phản ánh sự phụ thuộc hàm lượng thuốc quinin được giải phóng từ hạt tổ hợp PCQ20 ngâm trong dung dịch
Hình 3.44 Phương trình động học theo mô hình Higuchi phản ánh sự phụ thuộc hàm lượng thuốc quinin được giải phóng từ tổ hợp PCQ20 ngâm trong dung dịch pH=7,4 theo thời gian t 1/2
111
Hình 3.45 Phương trình động học theo mô hình Hixson-Crowell phản ánh sự phụ thuộc hàm lượng thuốc quinin được giải phóng từ hạt tổ hợp PCQ20 ngâm
Hình 3.46 Phương trình động học theo mô hình Korsmeyer – Peppas phản ánh
sự phụ thuộc hàm lượng thuốc quinin được giải phóng từ tổ hợp PCQ20 ngâm
Trang 15DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.2 Một số đặc trưng, tính chất của PLA và tổ hợp tinh bột/PLA (45/55) 26
Bảng 1.3 Tính chất của PLA hóa dẻo bởi PEG với hàm lượng và KLPT khác
Trang 16Bảng 3.10 Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các tổ hợp PLA/CS
và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong dung dịch SBF 76
Bảng 3.11 Phương trình hồi quy mất khối lượng (y-%) của các màng tổ hợp PLA/CS và PLA/CS/PCL theo thời gian ngâm (x-ngày) trong môi trường có tác
Bảng 3.12 Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28 ngày trong các môi trường khác nhau 81
Bảng 3.13 Các đặc trưng DSC và độ kết tinh (χ c ) của màng tổ hợp PCL6 trước
và sau khi ngâm 28 ngày trong các môi trường khác nhau 83
Bảng 3.14 Kích thước hạt trung bình của tổ hợp PLA/CS theo thể tích nước
Bảng 3.17 Các đặc trưng DSC và độ kết tinh (χ c ) của PLA, CS và hạt tổ hợp
Bảng 3.18 Vị trí hấp thụ các nhóm liên kết đặc trưng trong quinin và các hạt tổ hợp
Bảng 3.21 Hiệu suất mang thuốc quinin của các hạt tổ hợp PLA/CS 101
Bảng 3.22 Độ hấp thụ Abs ứng với các nồng độ pha loãng của quinin trong
Trang 17Bảng 3.23 Phần trăm giải phóng thuốc quinin theo thời gian của các hạt tổ hợp PCQ10, PCQ20, PCQ30, PCQ50 trong dung dịch pH=2 105
Bảng 3.24 Phần trăm giải phóng thuốc quinin theo thời gian của các hạt tổ hợp PCQ10, PCQ20, PCQ30, PCQ50 trong môi trường pH=7,4 107
Bảng 3.25 Phương trình hồi quy và hệ số hồi quy phản ánh giải phóng quinin
Bảng 3.26 Các tham số của của phương trình hồi quy phản ánh giải phóng quinin từ các hạt tổ hợp PCQ10-PCQ50 trong dung dịch pH=7,4 theo các mô
Bảng 3.27 Các tham số của của phương trình hồi quy phản ánh giải phóng quinin từ các hạt tổ hợp PCQ10-PCQ50 trong dung dịch pH=2 theo các mô
Trang 181
MỞ ĐẦU
Trên thế giới, vật liệu polyme tự phân hủy và phân huỷ sinh học đã được nghiên cứu chế tạo để sử dụng trong các lĩnh vực như nông, lâm nghiệp, chế biến thực phẩm và y tế Năm 1980, trên thế giới mới chỉ có 7-12 sáng chế trong lĩnh vực này Con số đó tăng lên 1.500 sáng chế trong 10 tháng đầu năm 2003 [17] Đã có nhiều công trình nghiên cứu về các polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở tinh bột (tổng hợp từ amylo và amylo pectin), xenlulo, agaro, carrageenan; polysaccarit động vật như chitin và glycos-aminoglycan; các loại protein như collagen/gelatin, casein, keratin, fibroin, polyvinylancol cũng như các polyme blend trên cơ sở các polyme này với các nhựa nhiệt dẻo như polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở tinh bột với các polyolefin [37, 101] Trong số các polyme có khả năng phân hủy sinh học, poly(lactic axit) (PLA) được nghiên cứu nhiều nhất do có nhiều tính chất giống một số polyme nhiệt dẻo (polyetylen, polypropylen, polyvinyl clorua…) như
độ bền kéo lớn, mođul đàn hồi lớn, bền nhiệt [68, 70] Ngoài ra, PLA còn có khả năng chống cháy, chống bức xạ tử ngoại…[57], đặc biệt là khả năng phân hủy sinh học Chitosan (CS) là polyme có nguồn gốc thiên nhiên cũng đã được nghiên cứu rất rộng rãi do các tính năng ưu việt của nó như không độc, phân hủy sinh học và tương hợp sinh học, hơn nữa nó còn có khả năng cầm máu và kháng khuẩn cao [112] Do đó, nghiên cứu trộn hợp các polyme PLA và CS để tạo thành vật liệu tổ hợp mới kết hợp được các ưu điểm của 2 polyme này là rất cần thiết
Vật liệu tổ hợp PLA/CS ngày càng được quan tâm nghiên cứu là do các polyme có sự bám dính tốt, khả năng phân huỷ sinh học, tương hợp sinh học và có tính ổn định tương đối cao Một số nghiên cứu về vật liệu tổ hợp PLA/CS đã được công bố [13, 31, 67, 115], trong đó các tác giả tập trung nghiên cứu hình thái cấu trúc và khả năng phân tán của 2 pha PLA và CS Các kết quả thu được cho thấy do PLA khác với chitosan về bản chất, cấu tạo, cấu trúc, tỉ trọng, tính ưa nước… nên
sự phân tán CS trong PLA bị hạn chế Vì vậy, nghiên cứu sử dụng các chất có khả năng trợ tương hợp cho PLA và CS như polyetylen glycol (PEG), polycaprolacton
Trang 192
(PCL), polyetylen oxit (PEO), poly(vinyl alcol) (PVA), poly(vinylpyrrolidon)… có thể giảm hiệu ứng tương tác giữa các đại phân tử CS, làm cho pha CS phân tán và trộn lẫn với pha PLA dễ dàng hơn, tăng cường tính chất và độ bền của vật liệu tổ hợp PLA/CS [44, 80]
/CS ứng dụng trong y sinh
Trên thế giới, vật liệu tổ hợp mang thuốc trên cơ sở PLA và CS đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Hạt nanocompozit PLA/CS chứa thuốc chữa HIV như Lamivudin (được chọn làm hợp chất mô hình) đã được chế tạo bằng kỹ thuật nhũ tương nước/dầu/nước để bọc thuốc ưa nước [31] Vật liệu nanocompozit chitosan-PLA/MMT mang thuốc Paclitaxel (có khả năng chữa trị ung thư) được chế tạo bằng phương pháp nhũ tương- bay hơi dung môi [79] M Rajan đã tổng hợp nano PLA/CS/PEG/G mang rifampicin ứng dụng trong điều trị bệnh lao [93] Iolanda Porcar đã chế tạo poly(acrylic axit) (PAA) và poly(L-glutamic axit) (PGA) mang quinin để chữa bệnh sốt rét [49] Hiện nay, trên thế giới chưa có công trình công bố về vật liệu tổ hợp PLA/CS mang thuốc chống sốt rét như quinin Vì vây, luận án này tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/CS có các chất tương hợp và ứng dụng vật liệu tổ hợp PLA/CS này mang thuốc quinin phục vụ thử nghiệm điều trị bệnh sốt rét
Luận án có những mục tiêu sau:
- Chế tạo được màng tổ hợp PLA/CS có sử dụng một số chất tương hợp (PCL, PEG, PEO) bằng phương pháp dung dịch và hạt tổ hợp PLA/CS không và có mang quinin bằng phương pháp vi nhũ
- Xác định được hình thái cấu trúc, tính chất và nghiên cứu sự phân hủy của màng tổ hợp PLA/CS trong các môi trường khác nhau
- Xác định được khối lượng thuốc quinin giải phóng từ vật liệu tổ hợp PLA/CS trong một số dung dịch có pH khác nhau và mô hình thích hợp cho quá trình trên
Trang 203
CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 POLY LACTIC AXIT
Poly(lactic axit) (PLA) là polyeste được tổng hợp chủ yếu bằng phản ứng trùng ngưng và trùng hợp từ các monome axit lactic Nguyên liệu sản xuất PLA là các nguồn có thể tái sinh hàng năm: các loại cây lương thực như ngô, lúa mì Nó
có thể thay thế các nguyên liệu nhựa truyền thống từ dầu mỏ và đang được đầu tư sản xuất ở nhiều nước trên thế giới
CH3
OHO
CH3
O
(n-1)H2OO
H
n
OH
Trang 214
Trùng ngưng đồng sôi (trùng ngưng đẳng phí) [38]
PLA có KLPT lớn có thể tổng hợp bằng phương pháp trùng ngưng đẳng phí Trong phương pháp này, tách loại nước được thực hiện bằng cách điều chỉnh sự cân bằng giữa polyme và monome trong dung môi hữu cơ, do đó axit lactic bị trùng ngưng trực tiếp tạo thành polyme với KLPT lớn PLA có độ tinh khiết cao có KLPT lên đến 300.000 đvC có thể thu được bằng phương pháp này [20, 44, 58]
1.1.1.2 Các phương pháp trùng hợp
Trùng hợp trạng thái rắn (SSP) [38]
Phương pháp này cho PLA có KLPT tương đối thấp, ở dạng bột, hạt, lát mỏng hay sợi tạo thành ở dưới nhiệt độ nóng chảy cùng với sự tách loại đồng thời các sản phẩm phụ ra khỏi bề mặt vật liệu bằng bay hơi dưới áp suất thấp hay bằng chất mang và có thổi khí trơ Khí trơ trong SSP có tác dụng tách loại chất ngưng tụ khỏi phản ứng và chống lại sự oxy hoá polyme Phản ứng trùng hợp xảy ra ở vùng
vô định hinh của polyme, ở đó tất cả các nhóm phản ứng cuối mạch được tạo thành
Do đó, trùng hợp ở trạng thái rắn phải được thực hiện ở trên nhiệt độ thuỷ tinh hoá (nhằm làm cho các nhóm cuối linh động dễ tham gia phản ứng) và dưới nhiệt độ nóng chảy của polyme Do phản ứng trạng thái rắn xảy ra ở các nhiệt độ thấp hơn nhiều so với ở trạng thái chảy mềm nên nhiệt độ phản ứng có thể thay đổi, dưới nhiệt độ nóng chảy (Tm) từ 5 - 15o
Tr¹ng th¸i r¾n
Ch©n kh«ng hoÆc khÝ tr¬
Tr¹ng th¸i nãng ch¶y
oligome
n = 8-15
xóc t¸c/ch©n kh«ng
Trùng hợp trạng thái rắn PLA
Trang 225
Ưu điểm của phương pháp này là thực hiện ở nhiệt độ thấp, có thể khống chế được các phản ứng phụ cũng như các phản ứng phân huỷ nhiệt, thuỷ phân và oxy hoá cùng với giảm sự biến màu và phân huỷ sản phẩm Các polyme tạo bằng phương pháp SSP thường có các tính chất được cải thiện do sự vòng hoá monome
và các phản ứng phụ khác đã được hạn chế Nó không gây ô nhiễm môi trường do không sử dụng dung môi
Trùng hợp nóng chảy
Phương pháp trùng hợp nóng chảy axit lactic thực hiện ở nhiệt độ cao và chân không cao Điều kiện này giúp tách nước ra khỏi hệ được thuận lợi nhưng cũng thuận lợi cho các phản ứng cắt mạch xảy ra (phản ứng chuyển hoá este giữa các phân tử hay trong nội phân tử), gây ra sự phân huỷ polyme KLPT thấp thành lactit, hạn chế sự phát triển mạch PLA Nhiệt độ cao và chân không cao của quá trình trùng hợp nóng chảy không chỉ thuận lợi cho quá trình tách nước mà còn làm quá trình thoát khí trơ dễ dàng
Trùng hợp mở vòng (ROP) [38, 80, 87]
Trùng hợp mở vòng được Carothers thực hiện vào năm 1932 nhưng không thu được polyme có KLPT lớn cho đến khi công nghệ trùng hợp được cải tiến ROP thường dùng để tổng hợp polyme có KLPT lớn với tính lập thể cao Trùng hợp mở vòng bao gồm các giai đoạn: trùng ngưng axit lactic, sau đó depolyme hoá thành các đime dạng vòng (lactit) bằng phản ứng tách H2O, cuối cùng là trùng hợp các đime để tạo thành polyme có KLPT cao
CH3
C O
CH3O
n
Phản ứng trùng ngưng của lactic axit tạo lactit
Trang 23g/mol, trong khi trùng hợp mở vòng các lactit cho KLPT nằm trong khoảng 2,0 x 104
đến 6,8 x 105 g/mol
1.1.2 Cấu tạo, cấu trúc của PLA
PLA là polyeste thuộc dãy béo, có công thức tổng quát nhƣ sau:
Công thức đơn giản của PLA
Với công thức phân tử nhƣ trên, PLA có chứa 1 nhóm -CH3 linh động trong mạch Cấu trúc này gây ra sự quay lập thể ở nguyên tử C và sinh ra các đồng phân
L, D và DL Poly(L-lactic axit), poly(D-lactic axit) và poly(D,L-lactic axit) đƣợc
Trang 247
tổng hợp từ các monome L(-), D(+) và D,L- lactic axit tương ứng [38] So sánh cấu trúc của PLA với cấu trúc của 1 polyeste cùng loại là polyaxit glycolic (PGA):
CH2COO
n
Cấu tạo của PGA
Nhóm CH3 trong mạch PLA tạo ra hiệu ứng không gian, cản trở sự tấn công vào vị trí của nguyên tử C trong mạch chính, do vậy khả năng tham gia phản ứng thuỷ phân của PLA bị hạn chế, do đó, thời gian phân huỷ của PLA lớn hơn so với các polyeste khác
1.1.3 Tính chất của PLA
PLA là polyme có nhiều tính chất tốt, dễ gia công, có khả năng tương thích sinh học tốt và phân huỷ sinh học (chủ yếu bằng thuỷ phân) Tốc độ phân huỷ, tính chất vật lý và cơ học của PLA thay đổi trong khoảng rộng, phụ thuộc vào KLPT, thành phần và cấu trúc kết tinh của PLA Nhìn chung, PLA thương mại thường là copolyme của L-lactit và D-lactit Trên thị trường hiện nay, người ta cung cấp các loại nhựa PLA có KLPT lớn, được điều chế bằng trùng hợp mở vòng lactit Tính chất của chúng thay đổi trong phạm vi khá rộng theo KLPT, thành phần và độ kết tinh
1.1.3.1 Tính chất vật lý [22, 34]
PLA là nhựa ở dạng hạt có màu trắng đục, cứng Khối lượng riêng của PLA
là 1,25g/cm3, nhỏ hơn so với PET 1,34 g/cm3
nhưng lớn hơn HIPS 1,05g/cm3 và lớn hơn một số polyme thông thường có tỷ trọng khoảng 0,9-1,1 g/cm3 Tỷ trọng của PLLA khoảng 1,25–1,29 g/cm3
và PDLLA là 1,27 g/cm3
Độ tan của polyme trên cơ sở axit lactic phụ thuộc rất lớn vào KLPT, độ kết tinh và sự có mặt của các co-monome khác có trong polyme Các dung môi tốt cho các poly(L-lactit) là các dung môi clorua hay florua hữu cơ, đioxan, furan Bên
Trang 258
cạnh các dung môi kể trên còn có các dung môi hữu cơ khác như axeton, pyridin, etyl lactat, tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit, N,N-dimetylfocmamit và metyl etyl xeton Các dung môi không hòa tan polyme trên cơ
sở axit lactic là nước, các rượu như metanol, etanol, propylen glycol và các hydrocarbon chưa thế như hexan, heptan PLLA tan tốt trong các dung môi hữu
cơ như dẫn suất hữu cơ của clo, flo, dioxan, furan và PDLLA tan tốt trong các dung môi như axeton, piridin, etyllactat, THF, xilen, etyl axetat [38]
1.1.3.2 Tính chất nhiệt
PLA có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ kết tinh cao hơn so với LDPE và HDPE là hai polyme có nguồn gốc từ dầu mỏ [102] Do đó, PLA khó bị phân huỷ nhiệt hơn so với LDPE và HDPE dù hàm lượng tinh thể nhỏ hơn Tính chất này là
ưu điểm của PLA so với các polyme khác khi chế tạo các vật liệu chịu nhiệt
Tính chất nhiệt của PLA phụ thuộc nhiều vào cấu trúc lập thể [29, 46, 62, 71] Nhiệt độ nóng chảy của PLLA có thể tăng lên từ 40 – 50oC và độ chênh lệch nhiệt độ của nó cũng tăng lên 60 – 190oC khi blend hoá PLLA với PDLA PLA nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 130 - 215oC (tuỳ thuộc vào khối lượng phân tử PLA) PLLA có nhiệt độ nóng chảy ở 170–183oC và nhiệt độ thuỷ tinh hoá (Tg) ở 55–
65oC Trong khi PDLLA có nhiệt độ Tg ở 59oC
Nhìn chung, PLA có nhiệt độ Tg vừa phải ( 60oC) và độ bền nhiệt giảm nhanh trong điều kiện nhiệt độ và hơi ẩm cao Do chỉ số thấm hơi ẩm cao trong khi nhiệt độ Tg thấp nên PLA khó đúc hơn PE
1.1.3.3 Tính chất hóa học
PLA có khả năng chống cháy, chống bức xạ tử ngoại [76] PLA khá bền với các tác động của các bức xạ mặt trời, do đó nó ít bị phai màu PLA có khả năng cháy thấp và ít tạo ra khói Bên cạnh đó, khả năng dễ nhuộm màu với tỷ lệ chất màu rất nhỏ giúp cho PLA được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sợi, dệt, vải quần áo và trang trí nhà cửa, đồ đạc như rèm cửa, màn thảm và vật liệu che phủ…
Trang 269
PLA là polyeste no, do đó, nó dễ bị thuỷ phân trong môi trường ẩm, đặc biệt khi có mặt axit và bazơ [102] Nó cũng dễ bị tác động của vi sinh vật gây phân huỷ vật liệu Vì thế PLA là vật liệu phân huỷ sinh học Độ bền của PLA phụ thuộc vào KLPT và hàm lượng tinh thể KLPT của PLA càng thấp, PLA càng dễ bị phân huỷ Khi tăng hàm lượng tinh thể, độ bền của PLA sẽ tăng lên Căn cứ vào yêu cầu của sản phẩm, người ta chế tạo PLA có hàm lượng tinh thể phù hợp
Khả năng thấm khí của PLA, đặc biệt đối với N2 và O2 thấp hơn nhiều so với
PE Khả năng thấm CO2 của PE cao gấp nhiều lần so với PLA Điều này có nghĩa
là PLA che chắn không khí tốt hơn nhiều so với PE Ngoài ra, PLA còn có một số tính chất nổi bật khác như có khả năng giữ mùi và hương tốt (độ thấm khí thấp), cách nhiệt tốt, độ bóng và độ trong cao, tính trơ cao đối với chất béo
1.1.3.5 Tính chất cơ học
PLA là polyme bán tinh thể và là loại vật liệu có tính chất cơ học cao như một số nhựa nhiệt dẻo Nó có độ cứng cao, dễ tạo thành nếp khi gấp, độ bền mài mòn cơ học cao, mođul lớn, độ bền kéo đứt lớn nhưng khả năng dãn dài kém và độ mềm dẻo không cao so với PE hay PP [35]
Trang 2710
Tính chất cơ học của PLA phụ thuộc vào thành phần và KLPT Khi KLPT tăng thì tính chất cơ học của PLA cũng tăng theo Khi KLPT của PLLA tăng từ 23.000 g/mol đến 67.000 g/mol thì độ bền uốn tăng từ 64 đến 106 MPa còn độ bền kéo lại giảm còn 59 MPa Với PDLLA, khi khối lương phân tử tăng từ 47.500 g/mol đến 114.000 g/mol thì lực căng biến đổi từ 49-53 MPa còn lực xoắn biến đổi
từ 84-88 MPa.Tính chất cơ học của PLA có thể thay đổi trong phạm vi rộng từ mềm, dãn dẻo tới cứng và nhựa có độ bền kéo cao PLLA kết tinh trong khi PDLLA hoàn toàn ở trạng thái vô định hình Do là polyme kết tinh, poly(L-lactit)
có tính chất cơ học tốt hơn poly(D,L-lactit) với cùng một KLPT
1.1.4 Ứng dụng và một số sản phẩm PLA tiêu biểu
Tùy thuộc vào KLPT, cấu trúc tinh thể mà PLA có tính chất khác nhau và có thể ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau PLA được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
* Ứng dụng trong y học
Do PLA có khả năng tương thích, tương hợp sinh học nên nó được dùng làm
vỏ bọc viên thuốc, môi trường nuôi cầu khuẩn, tạo môi trường gel nước, làm chỉ khâu vết thương, dùng làm mô tế bào [83] Một số đồ dùng y tế cũng làm từ polyme này Sau thời gian sử dụng nhất định trong cơ thể con người, chúng phân hủy và không gây độc hại trong cơ thể
đề tài khoa học công nghệ cấp Nhà nước về nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học trên cơ sở PLGA làm chỉ khâu tự tiêu ứng dụng trong ngành y tế [6, 19]
*Chế tạo một số sản phẩm chất lượng cao
PLA là vật liệu được ưa chuộng để sản xuất các sản phẩm chất lượng cao như dùng sản xuất sợi trong công nghiệp dệt làm quần áo và các vật dụng gia đình như thảm, đệm, chăn Các dụng cụ trang trí nội thất, các đồ chơi trẻ em… PLA cũng
Trang 2811
được sử dụng làm lớp tráng trên giấy, phim…hay sản suất các vật liệu có khả năng chịu lực cao [38]
* Ứng dụng trong công nghệ đóng gói sản phẩm
PLA được sử dụng làm vật liệu đóng gói sản phẩm như hoa quả tươi, cafe, các loại thực phẩm, đồ uống lạnh… PLA được sử dụng trong bao gói bánh kẹo, thực phẩm, các mác, nhãn dán… làm các loại chai có độ trong cao, thùng, hộp đựng hoa quả và đồ dùng một lần khác…[76]
* Ứng dụng trong nông nghiệp
PLA được sử dụng làm bầu đựng ươm cây giống hay các màng che phủ, bảo
vệ cây trồng do nó có khả năng phân hủy thành các sản phẩm đi vào trong đất sau thời gian sử dụng nhất định Các sản phẩm này cũng có thể trở thành nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng [102]
* Ứng dụng trong công nghệ làm sạch, môi trường
Các polyme sinh học như PLA khi kết hợp với zeolit có thể dùng trong quá trình làm sạch, xử lý nước thải thay thế cho các hợp chất có chứa photpho [37]
*Trong kỹ thuật điện
Một số vật liệu blend giữa PLA với các polyme khác và polyme compozit,
vật liệu nano silicat trên cơ sở PLA được sử dụng trong lĩnh vực điện, điện tử
Như vậy, PLA là polyme có nhiều ưu điểm như độ bền kéo đứt cao, có thể gia công như nhựa nhiệt dẻo, có khả năng phân hủy trong điều kiện môi trường tự nhiên, có khả năng tương hợp sinh học và có sẵn trong các nguồn tái sinh… Do đó,
nó có nhiều khả năng ứng dụng trong thực tế Tuy nhiên, một số nhược điểm như giòn, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của nó Để khắc phục những hạn chế và tăng cường tính chất của PLA, người ta tập trung nghiên cứu chế tạo dẫn xuất của PLA, đó là các copolyme hoặc blend hoá PLA với các polyme khác
Trang 2912
1.2 CHITOSAN
Chitosan là một trong số các polyme sinh học có nguồn gốc thiên nhiên Chitosan là sản phẩm deaxetyl hoá của chitin có tên gọi là 2-amido-2-deoxy- -D-gluco Trong thực tế chitin, chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme, gồm các mắt xích (1 4)-N-axetyl-D-glucosamin và mắt xích (1 4)-D-glucosamin Khi tỷ lệ (1 4)-D-glucosamin nhiều hơn thì được gọi là chitosan, ngược lại là chitin Vì trong mắt xích (1 4)-D-glucosamin có nhóm amino (-NH2) nên chitosan dễ tan trong một số dung dịch axit loãng như axit axetic 1%, axit focmic, trong khi đó chitin hầu như không tan trong các dung môi hữu cơ Tính tan của chitin-chitosan trong dung dịch axit axetic loãng tăng theo chiều tăng của tần suất xuất hiện nhóm amin trong mắt xích phân tử Người ta sử dụng đặc điểm này để phân biệt chitin hay chitosan Nếu tan trong axit axetic loãng thì gọi là chitosan, nếu không tan thì gọi là chitin Ngoài ra có thể phân biệt bằng giá trị độ axetyl hoá (DA) hay độ deaxetyl hoá (DDA), DA=(1-DDA), nếu DA>50% được gọi là chitin, nếu DA<50% thì được gọi là chitosan [45, 74, 53, 62, 91, 107] Chitin-chitosan là polysacarit có chứa nhóm amin nên được đánh giá là vật liệu có tiềm năng hơn xenlulo trong nhiều lĩnh vực với nhiều tính chất quý như có khả năng phân huỷ sinh học, khả năng tương hợp sinh học và đặc biệt có hoạt tính sinh học Chính vì vậy, ngày nay chitin-chitosan và các dẫn xuất vẫn đang được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều các lĩnh vực khác nhau như y dược, công nghệ thực phẩm,
mỹ phẩm, nông nghiệp, công nghệ môi trường [1, 112]
1.2.1 Cấu trúc của chitosan
Chitosan một polysacarit mạch thẳng, là dẫn xuất đề axetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-NHCOCH3) ở vị trí C(2) Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucozamin liên kết với nhau bởi các liên kết β -(1-4)-glicozit, do vậy chitosan có thể gọi là poly β -(1-4)-2-amino-2-deoxi-D-gluco hoặc
là poly β -(1-4)-D- glucozamin
Trang 30O.
1.2.2 Tính chất hoá học của chitosan
Trong phân tử chitin, chitosan có các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các
mắt xích N-axetyl-D-glucozamin và nhóm –OH, nhóm –NH2 trong các mắt xích
D-glucozamin, nghĩa là chúng vừa có tính chất của ancol lại vừa có tính chất của amin
và amit Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-,
dẫn xuất thế N- hoặc dẫn xuất thế O-, N [63]
Mặt khác, chitin, chitosan là những polyme mà các monome được nối với
nhau bởi các liên kết β -(1-4)-glicozit, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các tác
nhân hoá học như: axit, tác nhân oxy-hóa và các enzym thuỷ phân
a) Phản ứng ở nhóm hydroxyl
Tương tự như các ancol đa chức, tính axit của nhóm hydroxyl khá mạnh,
chitin phản ứng được với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat gọi là
chitin kiềm
[C6H7O3NHCOCH3(OH)2]n + 2nNaOH →[C6H7O3NHCOCH3(ONa)2]n + 2nH2O
Chitin kiềm là sản phẩm trung gian để sản xuất các chitin ete
[Chit(ONa2)]n + 2nRX → [Chit(OR2)]n + 2nNaX
Trang 31Phản ứng axetyl hóa chitin bởi Ac2O trong môi trường pyridin chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ, thời gian, chất xúc tác và đặc biệt là nguồn nguyên liệu điều chế chitin Nhiều công trình nghiên cứu biến tính chitin cho thấy β-chitin là loại vật liệu đầy tiềm năng so với α-chitin để tiến hành các phản ứng hóa học [5, 13]
Các dẫn xuất O-axyl chitosan có thể được tổng hợp từ phản ứng của chitosan với các anhidric axit, halogen axit:
Có thể thực hiện phản ứng axetyl hóa theo phương pháp trên Kết quả nghiên cứu cho thấy, phản ứng axetyl hóa có thể xảy ra hoàn toàn mà không có phản ứng phụ khi xử lý β-chitin ở dạng huyền phù với Ac2O trong pyridin dưới tác dụng của xúc tác 4-đimetyl aminopyridin (DMAP) [64]
Các dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan thường được tổng hợp từ phản ứng của chitin-chitosan với axit monohalogen ankanoic trong môi trường kiềm đặc, phản ứng xảy ra như sau [61]:
Trang 3215
O
NHCOCH3O
OH
O.
m chitosan
Dẫn xuất tan trong nước N,N,N-trimetyl chitosan đã được tổng hợp từ phản ứng của chitosan với CH3I với sự có mặt của NaI và N-metyl-2-pyrolidon/ NaOH Phản ứng xảy ra như sau [33]:
Trang 33Trong quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan, ban đầu chitosan phản ứng với axit glyoxylic trong môi trường axit tạo thành dạng bazơ Schiff, sau đó dưới tác dụng của tác nhân khử NaCNBH3 sẽ chuyển thành dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan [3]
O
NH2
O H
OH
O.
CH2COOH n
Ở điều kiện thích hợp, ngoài dẫn xuất thế một lần tạo dẫn xuất cacboxymeyl chitosan, phản ứng trên còn tạo thành dẫn xuất N,N-dicacboxymetyl chitosan - một dẫn xuất tan trong nước [3]
N-Tương tự, các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan khác cũng được điều chế từ các axit cacboxylic có nhóm anđehyt hoặc keton như axit pyruvic, axit β-hydroxypyruvic, axit 2-ketoglutaric, axit đehyđroascorbic với sự tham gia của axit levulinic [78], trong những điều kiện thích hợp còn có thể tạo ra dẫn xuất 5-
metylpyrolidion chitosan [4-5] Phản ứng xảy ra như sau:
OH
O.
CH CH2C
OH
O.
O C
H3
n
5 metylpyrolidion chitosan
CH3COCH2CH2COOH
Trang 3417
d) Phản ứng cắt mạch polyme
Ngoài các phản ứng ở các nhóm chức hoạt động, chitin-chitosan còn có tính chất chung của các polyme là có thể tham gia phản ứng cắt mạch phân tử tạo thành các phân tử có mạch ngắn hơn, thường được gọi là các oligome Phản ứng cắt mạch
có ý nghĩa quan trọng vì độ dài mạch quyết định trực tiếp đến các tính chất vật lý
và hóa học của polyme Chitin, chitosan là polyme có khối lượng phân tử lớn 500kDa) tùy thuộc vào nguồn gốc và phương pháp điều chế Mạch chitin, chitosan
(10-có thể bị thủy phân trong môi trường axit làm đứt liên kết β-glucozit tạo thành các oligosaccarit, đisaccarit, hoặc phân hủy đến cùng tạo ra các monome Phản ứng xảy
OH
O y x<<n; y<<m
1.2.3 Ứng dụng của chitosan và dẫn xuất
Chitin, chitosan và các dẫn xuất của chúng có nhiều đặc tính quý báu như: có hoạt tính kháng nấm, kháng khuẩn, có khả năng tự phân huỷ sinh học cao, không gây dị ứng, không gây độc hại cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một
số kim loại chuyển tiếp như: Cu(II), Ni(II), Co(II) Do vậy, chitin, chitosan và một
số dẫn xuất của chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: lĩnh vực xử lí nước thải và bảo vê môi trường, y dược, y sinh, nông nghiệp, công nghiệp…
Ứng dụng trong xử lý nước thải
Chitosan có khả năng hấp phụ tốt các kim loại nặng Do đặc tính của nhóm amin tự do trong cấu trúc chitosan được tạo thành khi deacetyl hóa chitin, các phức chelat của nó làm cho khả năng hấp phụ kim loại tăng gấp 5 đến 6 lần so với chitin Khi ghép một số nhóm chức vào khung cấu trúc của chitosan sẽ làm tăng khả năng hấp phụ kim loại của chitosan lên nhiều lần
Trang 3518
N(o-cacboxybenzyl) chitosan, N-cacboxymetyl chitosan- hai dẫn xuất tan trong nước và dithiocacbamat chitosan- dẫn xuất không tan trong nước là các chất hấp phụ ion kim loại từ chitosan đã được Muzzarelli và Tanfani khảo sát [78]
Ứng dụng trong y sinh
Chitosan còn có khả năng chống viêm cấp trên mô lành Băng cứu thương kiểu mới, kỹ thuật cao, có thành phần cấu tạo bởi chất chitosan So với các loại băng thường, tốc độ cầm máu, tính sát khuẩn và thời gian lành mô khi sử dụng loại băng này có hiệu quả hơn gấp nhiều lần
Chitosan ở cấu trúc nano, với tính năng quan trọng là tương thích sinh học và
có khả năng phân hủy sinh học có thể được sử dụng như một chất dẫn thuốc tiềm năng Để tạo cấu trúc phù hợp với mục đích dẫn thuốc cho chitosan, nhóm nghiên cứu Trần Đại Lâm sử dụng tripolyphosphat (TPP) làm chất tạo liên kết chéo thông qua tương tác tĩnh điện Từ thời gian nhả thuốc khi không có CS-TPP vào khoảng 7-8 giờ trong môi trường giả dịch ruột và khoảng 0,5 giờ trong môi trường giả dịch
dạ dày, artesunat đã được kéo dài thời gian nhả thuốc lên khoảng 25-30 giờ [12] Trên cơ sở đó, CS-TPP đã được ứng dụng làm chất dẫn thuốc cho thuốc trị sốt rét artesunat (dẫn xuất artemisinin) [12, 65]
Vật liệu tổ hợp chitosan/nano bạc (CS/Ag-NPs) được nghiên cứu ứng dụng trong việc kháng khuẩn trong dung dịch nhờ đặc tính kháng khuẩn đặc biệt của hạt nano bạc Khả năng kháng khuẩn của vật liệu trên đã được khảo sát với một số vi
khuẩn như vi khuẩn gram âm (E.Coli và P.aeruginosa), vi khuẩn gram dương (L.fermentum, S.aureus và B.subtilis) và nấm (C.albians) Các kết quả khảo sát đã
chứng minh khả năng ứng dụng của vật liệu CS/Ag-NPs trong dung dịch kháng khuẩn [39]
Nhiệt trị là một liệu pháp trị bệnh khá phổ biến, trong đó có điều trị bệnh ung thư Vật liệu hạt từ được biết đến là chất có thể làm môi trường sinh nhiệt (tự đốt
Trang 3619
nóng) dưới tác dụng của từ trường xoay chiều với yêu cầu ứng dụng y sinh là phải bền lâu và có thông số tốc độ đốt riêng ban đầu SRA (Specific Adsorption Rate) phải đạt đủ cao (tiến hành ở khoảng cường độ từ trường 80 Oe và tần số 236 kHz) Một số kết quả ban đầu khi sử dụng O – cacboxymetyl chitosan làm chất bọc hạt sắt từ Fe3O4 để nghiên cứu khả năng đốt nhiệt cũng đã thể hiện khả năng ứng dụng hạt nano chitosan biến tính trong việc nhiệt trị điều trị ung thư [12]
Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm
Chitosan là polyme dùng an toàn cho người, lại có hoạt tính sinh học đa dạng, chitosan đã được đưa vào thành phần thức ăn: sữa chua, bánh kẹo, nước ngọt, chất phụ gia bảo quản tốt cho giò và bánh cuốn ở nhiệt độ phòng Vật liệu chitosan được sử dụng để bảo quản đóng gói thức ăn, hoa quả tươi, thủy hải sản tươi, khô
Ứng dụng trong nông nghiệp
Trong nông nghiệp, chitosan được sử dụng chủ yếu là xử lý hạt giống tự nhiên và chất tăng trưởng của thực vật, như một thuốc trừ sâu sinh thái thân thiện giúp tăng khả năng bẩm sinh của cây trồng chống nhiễm trùng nấm
Chitosan giúp tăng quang hợp, thúc đẩy và tăng cường sự tăng trưởng thực vật, kích thích sự hấp thu chất dinh dưỡng, tăng tỷ lệ nảy mầm và tăng sức sống thực vật Khi sử dụng như xử lý hạt giống hoặc lớp phủ giống trên bắp, bông, khoai tây giống, đậu tương, củ cải đường, cà chua, lúa mì và các hạt giống khác, nó tạo nên một phản ứng miễn dịch trong sự phát triển của rễ bằng việc phá hủy u nang tuyến trùng của giun tròn ký sinh mà không ảnh hưởng đến cơ thể [26]
Chitosan có hoạt tính kháng khuẩn cao nên trong những năm gần đây, chitin, chitosan và các sản phẩm biến tính được quan tâm ứng dụng nhiều trong việc bảo quản các sản phẩm nông sản sau khi thu hoạch như cam, chanh, cà chua, chuối, dâu tây, vải, táo và một vài sản phẩm khác và đã thu được kết quả khả quan [32]
Trang 37Về hình thái cấu trúc pha của polyme blend, polyme blend là loại vật liệu có nhiều pha, trong đó có một pha liên tục/pha nền và một hoặc nhiều pha phân tán Mỗi một pha được tạo nên bởi một polyme thành phần Sử dụng nhựa novolac phenol fomandehyt làm chất độn tăng cường cho cao su, nhựa novolac nằm ở pha phân tán, còn pha liên tục là pha cao su Tuy nhiên, trong thực tế đã tồn tại một số vật liệu polyme blend không hoàn toàn theo quan niệm như vậy, đó là vật liệu polyme blend có 2 pha polyme liên tục xen kẽ nhau (co-continuous two - phase morphology) như vật liệu polyme blend PVC/NBR, SBR/NBR/polyacrylonitril ở một số tỷ lệ thích hợp [10, 29, 40, 93]
Trang 3821
Để đánh giá mức độ trộn hợp các polyme, người ta đưa ra các khái niệm về khả năng hoà trộn và khả năng tương hợp các polyme Sự trộn hợp các polyme ở mức độ phân tử và tạo thành hệ vật liệu polyme đồng thể, một pha thể hiện khả năng hoà trộn của các polyme [97, 108] Khi đó, mức độ phân tán của một polyme trong polyme nền đạt kích thước phân tử hay kích thước nanomet Nhiều tính chất quan trọng và ưu điểm nổi trội của polyme blend liên quan với đặc tính này của hệ
Hệ các polyme sẽ tách pha khi các polyme thành phần không có khả năng trộn hợp
về mặt nhiệt động
Khả năng tương hợp của các polyme thể hiện khả năng trộn các polyme vào nhau bằng một biện pháp kỹ thuật/công nghệ nào đó để tạo thành một hệ vật liệu polyme mới đáp ứng các yêu cầu đề ra như tăng cường các tính chất cơ lý, tính chất điện môi, độ bền nhiệt, độ bền điện, độ bền dung môi [21, 88, 108] Thực tế có nhiều polyme không có khả năng trộn hợp về mặt nhiệt động (không hòa trộn) nhưng polyme blend của chúng vẫn có tính chất cơ lý, độ bền nhiệt, độ bền điện tốt, tức là các polyme thành phần có khả năng tương hợp tốt, đáp ứng được các yêu cầu sử dụng nhất định
Sự hoà trộn và sự tương hợp các polyme liên quan chặt chẽ tới nhiệt động học quá trình trộn và hoà tan các polyme Về mặt hoá học, sự không tương hợp của các polyme không tương tự nhau về mặt cấu tạo, cấu trúc, khối lượng phân tử, thông số tan dường như là quy luật và sự trộn hợp các polyme tạo thành một hỗn hợp đồng thể (như dung dịch thực một pha) chỉ là trường hợp ngoại lệ Sự ngoại lệ này chỉ có thể xảy ra với các polyme phân cực, polyme này có tương tác đặc biệt với polyme
Trang 39+ Polyme blend hoà trộn một phần và tương hợp một phần: một phần của polyme này tan trong polyme kia, phân chia ranh giới pha không rõ ràng Cả 2 pha polyme (một pha giàu polyme 1, pha kia giàu polyme 2) là đồng thể và có 2 giá trị nhiệt độ Tg Có sự chuyển dịch nhiệt độ Tg của polyme này về phía nhiệt độ Tg của polyme kia
+ Polyme blend không hoà trộn và không tương hợp: hình thái pha của 2 polyme rất thô, đường kính pha phân tán lớn, không đều, phân chia ranh giới pha rõ ràng, bám dính bề mặt 2 pha rất tồi, có 2 nhiệt độ Tg riêng biệt ứng với nhiệt độ Tg của 2 polyme ban đầu
Ở Việt Nam, vật liệu polyme blend như CSTN/PE, PVC/NBR ngày càng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xây dựng, cơ khí, giao thông vận tải, dệt may… [9, 14-16, 18, 94]
1.3.2 Vật liệu tổ hợp PLA với polyme không phân hủy sinh học
Polyolefin (PE, PP) là các nhựa nhiệt dẻo có nguồn gốc dầu mỏ được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Chúng là các polyme không phân cực, kị nước và không bị phân hủy sinh học Trộn hợp các polyme này với PLA thường tạo ra các blend không tương hợp và trộn hợp, do đó tính chất cơ học của vật liệu thu được
Trang 4023
không tốt Phần lớn phải sử dụng chất trợ tương hợp để cải thiện sự phân tán, tương hợp giữa chúng với PLA để thu được vật liệu có tính chất mong muốn [23, 46, 99, 111]
Để tạo sự tương hợp giữa các polyolefin (PP, PE) với PLLA hay làm tác nhân tạo mầm kết tinh cho PLLA và các polyeste khác, N K Abayasinghe cùng cộng sự đã chế tạo các PLA gắn oligoetylen (OEPLA) cuối mạch bằng ROP các axit L-lactic (LLA) với oligome etylen chứa nhóm ancol cuối mạch, sử dụng thiếc octoat làm chất khơi mào [82] Trộn hợp nóng chảy phản ứng của PLA với poly(etylen-glyxidyl metacrylat) (EGMA) tạo các vật liệu PLA siêu dai hơn cả so với nhựa ABS (độ dãn dài tăng 40 lần, độ bền va đập cao hơn 50 lần so với PLA)
mà vẫn giữ được khả năng bền nhiệt của PLA [42]
Polystyren (PS) trộn hợp với PLA bằng phương pháp phun sợi cho thấy PS
là pha liên tục với PLA tồn tại ở các pha riêng rẽ hay tách biệt với bề mặt giữa không khí-polyme Khi thực hiện ủ nhiệt, có thể giảm được tách pha vì làm giảm kích thước của pha phân tán trong pha nền, giúp chúng phân tán vào nhau tốt hơn [25] Zhenhua Yuan và cộng sự đã điều chế blend của PS và PLLA bằng trộn hợp nóng chảy 2 polyme với nhau theo tỷ lệ 50/50 và 60/40 để tạo ra cấu trúc đồng liên
