Chế tạo, nghiên cứu một số tính chất của vật liệu tổ hợp polylactic axit/chitosan và thăm dò khả năng mang thuốc quintin của vật liệu

VIỆN 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

VIỆN 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

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS. TS. Thái Hoàng

Hà Nội, 2016

LỜI 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

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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CS: Chitosan

DCM: Diclometan

FESEM: -

trƣờng

FTIR: Fourier Transform Infrared Spectroscopy - Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

HDPE: High Density Polyethylene - Polyetylen t

KLPT: Khối lƣợng phân tử

LDPE: -

LLA: Axit L-lactic

MMT: Montmorillonit

NR: 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

PVP: Polyvinyl pyrolidon

ROP: Ring Open Polymerization - Trùng hợp mở vòng

SBF: Simulated Body Fluid – Dung dịch mô phỏng cơ thể ngƣời

SSP: Solid State Polymerization - Trùng hợp trạng thái rắn

Tg: Nhiệt độ thuỷ tinh hoá

THF: Tetrahydrofuran

Tm: Nhiệt độ nóng chảy

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU....................................................................................................................1

CHƢƠNG 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

CHƢƠNG 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 phƣơng pháp dung dịch........................42

2.2.2. Chế tạo hạt tổ hợp PLA/CS bằng phƣơng pháp vi nhũ..................................42

2.3. CHẾ TẠO HẠT TỔ HỢP PLA/CS MANG THUỐC CHỐNG SỐT RÉT

QUININ....................................................................................................................43

2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU...................................44

2.4.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier....................................................................44

2.4.2. Phƣơng pháp phân tích nhiệt lƣợng 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 thƣớc hạt ...............................................................48

2.4.6. Xác định suy giảm khối lƣợng mẫu ..............................................................50

2.4.7. Xây dựng đƣờng chuẩn quinin trong các môi trƣờng pH=2 và pH=7,4........50

2.5. PHÂN HỦY TỔ HỢP PLA/CS TRONG MỘT SỐ MÔI TRƢỜNG...............51

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................52

3.1. NGHIÊN CỨU MÀNG TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG

PHÁP DUNG DỊCH ................................................................................................52

3.1.1. Nghiên cứu tỷ lệ thành phần thích hợp của màng tổ hợp PLA/CS chế tạo

bằng phƣơng 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 trƣng, tính chất và hình thái cấu trúc của màng tổ hợp

PLA/CS/chất tƣơng hợp chế tạo bằng phƣơng 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

3.1.2.4. 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 PHƢƠNG PHÁP VI

NHŨ .........................................................................................................................85

3.2.1. Phân bố kích thƣớc 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 thƣớc 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

DANH 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

PLLA/PES 28

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

tỷ lệ khác nhau: (a) 100/0; (b) 90/10; (c) 80/20 và (d) 70/30. 32

Hình 1.6. Ảnh FESEM của sợi Ag/PLA/CS với các tỷ lệ:

(a) 100/0, (b) 70/30, (c) 50/50 và (d) 30/70 32

Hình 1.7. Giản đồ XRD của (a) chitosan (80/20), (b) 1%MMT, (c) 3% MMT,

(d) 5% MMT và Cloisit 30B 34

Hình 1.8. Phổ FTIR của PLA (IA), CS (IB), PLA/CS (IC), thuốc Lamivudin

(IIA) và PLA/CS mang thuốc Lamivudin (IIB) 35

Hình 1.9. Ảnh SEM của các hạt nano chitosan/PLA (A và B) và các hạt nano

chitosan/PLA mang Lamivudin (C và D) 36

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

antraquinon 37

Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo màng tổ hợp PLA/CS bằng phương pháp dung dịch 42

Hình 2.2.Thiết bị phản ứng vi sóng MAS-II 43

Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/CS mang thuốc bằng phương pháp

vi nhũ 44

Hình 2.4. Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ) 45

Hình 2.5. Máy phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 46

Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét S- 4800 (Hitachi, Nhật Bản) 47

Hình 2.7. Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS 48

Hình 2.8.Thiết bị phân tích phân bố kích thước hạt Zetasizer Ver 6.2 49

Hình 3.1 Phổ FTIR của PLA 52

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của chitosan (CS) 53

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

PLA và CS (b) 55

Hình 3.5. Ảnh FESEM của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ: (a) 80/20, (b)

60/40, (c) 50/50 và (d) 20/80 56

Hình 3.6. Phổ FTIR của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS và màng tổ hợp

PLA/CS/4%PEO (PCO4). 57

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

PLA/CS/PEG (b) 67

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

Hình 3.13. Ảnh FESEM của màng tổ hợp PC và PLA/CS/PEO (PCO2, PCO6,

PCO10) 70

Hình 3.14. Đồ thị mất khối lượng của PLA trong các màng tổ hợp PLA/CS có và

không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch NaOH 0,1N 71

Hình 3.15. Đồ thị mất khối lượng của PLA trong các màng tổ hợp PLA/CS có và

không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch HCl 0,1N) 72

Hình 3.16. Đồ thị mất khối lượng của PLA trong các màng tổ hợp PLA/CS có và

không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch đệm phot phat (pH =7,4) 73

Hình 3.17. Đồ thị mất khối lượng của PLA trong các màng tổ hợp PLA/CS có và

không có PCL theo thời gian ngâm trong dung dịch SBF 73

Hình 3.18. Đồ thị mất khối lượng của PLA trong các màng tổ hợp PLA/CS có và

không có PCL theo thời gian ngâm trong môi trường có tác nhân vi sinh vật 74

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 3.21. Sơ đồ thủy phân của CS 79

Hình 3.22. Phổ FTIR của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28 ngày

trong các môi trường khác nhau 80

Hình 3.23. Giản đồ DSC của màng tổ hợp PCL6 trước và sau khi ngâm 28

ngày trong các môi trường khác nhau 82

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

cất đưa vào hệ 87

Hình 3.26. Phổ FTIR của PLA, CS và hạt tổ hợp PLA/CS với tỷ lệ PLA/CS

khác nhau 89

Hình 3.27. Giản đồ DSC của PLA, CS và các hạt tổ hợp PLA/CS với các tỉ lệ

PLA/CS khác nhau 90

Hình 3.28. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PLA/CS với các tỉ lệ PLA/CS khác nhau 92

Hình 3.29. Phổ FTIR của quinin 94

Hình 3.30. Phổ FTIR của quinin, các hạt tổ hợp PLA/CS (PC)

và PLA/CS/quinin (PCQ) 95

Hình 3.31. Giản đồ phân bố kích thước hạt của tổ hợp PLA/CS không và có

quinin với hàm lượng quinin khác nhau 96

Hình 3.32. Liên kết hydro (a) và tương tác lưỡng cực giữa các nhóm chức

trong PLA, CS và quinin (b) 97

Hình 3.33. Giản đồ DSC của PLA, CS và vật liệu tổ hợp PCQ với các hàm

lượng QN khác nhau 99

Hình 3.34. Ảnh FESEM của quinin 100

Hình 3.35. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PCQ20 100

Hình 3.36. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PCQ30 100

Hình 3.37. Ảnh FESEM của hạt tổ hợp PCQ50 100

Hình 3.38. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ quang với nồng độ

dung dịch Q trong dung dịch pH = 2 ở λmax = 250,24 nm 103

Hình 3.39. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ quang với nồng độ

dung dịch quinin trong dung dịch pH = 7,4 ở λmax = 234,45 nm 104

Hình 3.40. Đồ thị giải phóng thuốc quinin từ hạt tổ hợp PCQ10, PCQ20,

PCQ30 và PCQ50 trong dung dịch pH=2 106

Hình 3.41. Đồ thị giải phóng thuốc quinin từ hạt tổ hợp PCQ10, PCQ20,

PCQ30 và PCQ50 trong dung dịch pH=7,4 108

Hình 3.42. Phương trình động học bậc 0 phản ánh sự phụ thuộc hàm lượng

thuốc quinin được giải phóng từ hạt tổ hợp PCQ20 ngâm trong dung dịch 110

pH=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

pH=7,4 theo thời gian 111

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 t1/2 111

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

trong dung dịch pH=7,4 theo thời gian 112

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

trong dung dịch pH=7,4 112

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1. Độ thấm khí của PLA, HDPE, LDPE, PET 9

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

nhau 27

Bảng 3.1. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong PLA, CS và các

màng tổ hợp PLA/CS 54

Bảng 3.2. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp

PLA/CS/PEO 58

Bảng 3.3. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp

PLA/CS/PEG 60

Bảng 3.4. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp

PLA/CS/PCL 61

Bảng 3.5. Các đặc trưng DSC và độ kết tinh (χc) của PLA, CS, các màng tổ hợp

PC và PLA/CS/PCL 64

Bảng 3.6. Các đặc trưng nhiệt DSC, độ kết tinh của PLA, CS và màng tổ hợp

PLA/CS, PLA/CS/PEO 65

Bảng 3.7. 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 dung dịch NaOH

0,1N 74

Bảng 3.8. 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 dung dịch HCl 0,1N 75

Bảng 3.9. 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 đệm photphat

pH=7,4 75