Tổng hợp vật liệu polyme dạng hydrogel nhạy nhiệt

`

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

HOÀNG DƢƠNG THANH

TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME DẠNG

HYDROGEL NHẠY NHIỆT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ

HÀ NỘI - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

HOÀNG DƢƠNG THANH

TỔNG HỢP VẬT LIỆU POLYME DẠNG

HYDROGEL NHẠY NHIỆT

Chuyên ngành: Hoá hữu cơ

Mã số: 62.44.01.14

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS.TS. Nguyễn Văn Khôi

2. PGS.TS. Trần Thị Như Mai

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận án

này là trung thực, do tôi và các cộng sự thực hiện. Các kết quả nêu trong luận

án do nhóm nghiên cứu thực hiện chưa được công bố trong bất kỳ công trình

nào của các nhóm nghiên cứu khác.

TÁC GIẢ

Hoàng Dương Thanh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Nguyễn Văn Khôi và PGS.TS. Trần Thị

Như Mai đã hướng dẫn, giúp đỡ tận tình và chỉ bảo, động viên tôi thực hiện

thành công luận án tiến sỹ này.

Xin cảm ơn chân thành Lãnh đạo Viện Hoá học, Viện KH&CN Việt Nam và

Phòng Quản lý tổng hợp đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian

thực hiện luận án này.

Xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp tại Phòng Vật liệu Polyme - Viện Hoá học,

Khoa Hoá học - Đại học KHTN đã động viên, chia sẻ các khó khăn cùng tôi

hoàn thành những phần việc của công trình khoa học này.

Cuối cùng, tôi gửi lời cảm ơn chân thành những tình cảm quý giá, động viên

khích lệ của người thân và bạn bè luôn mong muốn tôi hoàn thành sớm bản

luận án.

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................i

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN ..............................................iii

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN ................................................ v

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

I. TỔNG QUAN................................................................................................... 3

1.1. Giới thiệu về hydrogel ................................................................................ 3

1.1.1. Định nghĩa hydrogel............................................................................. 3

1.1.2. Phân loại hydrogel................................................................................ 3

1.1.3. Tính chất của hydrogel......................................................................... 6

1.1.4. Cấu trúc mạng lưới............................................................................... 8

1.2. Giới thiệu về polyme nhạy nhiệt .............................................................. 12

1.2.1. Nhiệt độ dung dịch tới hạn (CST) và điểm chuyển đổi thể tích pha . 12

1.2.2. Nhiệt động học dung dịch polyme. .................................................... 18

1. 2.3. Hydrogel nhạy nhiệt và nhạy pH ...................................................... 21

1.2.3.1 Phân loại hydrogel nhạy nhiệt ...................................................... 21

1.2.3.2. Biến đổi thể tích của hydrogel nhạy nhiệt ................................... 23

1.2.3.3. Ứng dụng của các hydrogel nhạy nhiệt ....................................... 26

1.3. Ứng dụng của hydrogel và một số hydrogel ứng đáp môi trường khác... 28

1.3.1. Trong nông nghiệp ............................................................................. 28

1.3.2. Trong y tế ........................................................................................... 29

1.3.3. Các hydrogel ứng đáp môi trường khác............................................. 30

1.3.3.1. Các hydrogel nhạy pH ................................................................. 30

1.3.3.2. Hệ nhạy nhiệt-pH......................................................................... 32

1.3.3.3 Hydrogel nhạy cảm điện............................................................... 33

1.3.3.4 Hydrogel nhạy cảm ánh sáng........................................................ 34

1.3.3.5. Hydrogel nhạy cảm enzym .......................................................... 34

1.3.3.6. Hydrogel nhạy cảm đường .......................................................... 35

1.3.3.7. Hydrogel nhạy cảm áp suất.......................................................... 36

1.3.3.8. Hydrogel nhạy nhiệt kép.............................................................. 37

1.4. Tổng hợp hydrogel.................................................................................... 38

1.4.1. Nguyên tắc chung............................................................................... 38

1.4.2. Tổng hợp PolyNIPAM và các biến tính hydrogel PNIPAM nhạy

cảm môi trường ............................................................................................ 42

1.4.2.1. Các phương pháp trùng hợp ........................................................ 42

1.4.2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng chủ yếu lên quá trình trùng hợp gốc.... 43

1.4.2.3. Tổng hợp và biến tính hydrogel trên cơ sở PNIPAM.................. 44

II. THỰC NGHIỆM.......................................................................................... 46

2.1. Nguyên liệu, hoá chất, dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ................................ 46

2.1.1. Nguyên liệu, hoá chất......................................................................... 46

2.1.2. Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu .............................................................. 47

2.2. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu ................................. 48

2.2.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................. 48

2.2.1.1. Tổng hợp các polyme, copolyme và hydrogel ............................ 48

2.2.1.2. Xác định thành phần copolyme ................................................... 49

2.2.1.3. Phương pháp xác định hằng số đồng trùng hợp .......................... 50

2.2.1.4. Quá trình trương của các hydrogel .............................................. 52

2.2.1.5. Quá trình nhả trương của các hydrogel ....................................... 52

2.2.1.6. Quá trình thuận nghịch nhiệt ....................................................... 52

2.2.1.7. Quá trình nhạy pH ....................................................................... 53

2.2.1.8. Quá trình thuận nghịch pH .......................................................... 53

2.2.1.9. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện li đến mức độ trương sản

phẩm.......................................................................................................... 53

2.2.1.10. Xác định khả năng kích ứng da của hydrogel ........................... 53

2.2.1.11. Xác định giá trị LCST................................................................ 53

2.2.1.12. Chuẩn bị mẫu hydrogel mang thuốc paracetamol ..................... 54

2.2.1.13. Xác định hàm lượng paracetamol.............................................. 54

2.2.1.14. Xác định khối lượng phân tử trung bình và độ đa phân tán của

polyme....................................................................................................... 54

2.2.1.15. Xác định độ bền cơ học của hydrogel ....................................... 54

2.2.1.16. Xác định độ chuyển hóa ............................................................ 55

2.2.1.17. Xác định phần gel của sản phẩm ............................................... 57

2.2.2. Nội dung nghiên cứu.......................................................................... 57

2.2.2.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt

PNIPAM ................................................................................................... 57

2.2.2.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co￾AM)........................................................................................................... 59

2.2.2.3. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co￾HEMA) ..................................................................................................... 59

2.2.2.4. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co￾MA)........................................................................................................... 60

2.2.2.5. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel terpolyme

(NIPAM-HEMA-AM).............................................................................. 61

2.2.2.6. Nghiên cứu quá trình mang và nhả thuốc của hydrogel............. 62

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................................... 63

3.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel nhạy nhiệt PNIPAM .... 63

3.1.1. Nghiên cứu quá trình trùng hợp NIPAM ........................................... 63

3.1.1.1. Ảnh hưởng của hệ khơi mào tới quá trình trùng hợp NIPAM .... 63

3.1.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp NIPAM.......... 64

3.1.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ monome đến quá trình trùng hợp

NIPAM...................................................................................................... 65

3.1.1.4. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử PNIPAM đến nhiệt độ

LCST......................................................................................................... 66

3.1.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST............... 67

3.1.1.6. Phổ hồng ngoại của PNIPAM ..................................................... 68

3.1.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel NIPAM.................. 69

3.1.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất của

hydrogel NIPAM ...................................................................................... 69

3.1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất điện ly đến khả năng trương của

hydrogel NIPAM ...................................................................................... 72

3.1.2.3. Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel NIPAM ...... 73

3.1.2.4. Hình thái học bề mặt.................................................................... 74

3.2. Tổng hợp một số hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở biến tính NIPAM........ 77

3.2.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-AM).. 77

3.2.1.1. Quá trình đồng trùng hợp NIPAM và AM .................................. 77

3.2.1.2. Phổ hồng ngoại và DSC............................................................... 78

3.2.1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng AM nhiệt độ LCST của copolyme

(NIPAM-AM)............................................................................................ 80

3.2.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng AM đến tính chất trương của

copolyme (NIPAM-AM) .......................................................................... 81

3.2.1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng AM tới quá trình trương và nhả

trương của hydrogel (NIPAM-co-AM) .................................................... 81

3.2.1.6. Ảnh hưởng của hàm lượng AM tới mức độ trương của các

hydrogel (NIPAM-co-AM) tại các pH khác nhau.................................... 83

3.2.1.7. Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt .......................................... 84

3.2.1.8. Hình thái học bề mặt và độ bền cơ học của hydrogel (NIPAM￾co-AM)...................................................................................................... 85

3.2.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co￾HEMA)......................................................................................................... 87

3.2.2.1. Động học quá trình đồng trùng hợp NIPAM và HEMA............. 87

3.2.2.2. Phổ hồng ngoại và giản đồ DSC chứng minh sự tồn tại của sản

phẩm.......................................................................................................... 89

3.2.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng HEMA đến nhiệt độ LCST của

copolyme (NIPAM-HEMA)..................................................................... 90

3.2.2.4. Quá trình trương/nhả trương của các copolyme (NIPAM-HEMA) 91

3.2.2.5. Đánh giá đặc tính thuận nghịch nhiệt và ảnh SEM của

copolyme (NIPAM-HEMA)..................................................................... 92

3.2.2.6. Tính chất cơ lý của các mẫu hydrogel......................................... 93

3.2.3. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel (NIPAM-co-MA).. 95

3.2.3.1. Động học quá trình đồng trùng hợp NIPAM và MA .................. 95

3.2.3.2. Phổ hồng ngoại ............................................................................ 96

3.2.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng MA đến nhiệt độ LCST của

copolyme (NIPAM-MA) .......................................................................... 97

3.2.3.4. Quá trình trương/nhả trương của hydrogel (NIPAM-co-MA) .... 98

3.2.3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng MA đến mức độ trương của

hydrogel (NIPAM-co-MA) tại các pH khác nhau.................................. 100

3.2.3.6. Tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel (NIPAM-co-MA).......... 101

3.2.3.7. Hình thái học bề mặt và độ bền cơ học của hydrogel................ 101

3.2.4. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của hydrogel terpolyme

(NIPAM-HEMA-MA) ............................................................................... 104

3.2.4.1. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của terpolyme (NIPAM￾HEMA-MA)............................................................................................ 104

3.2.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng MA đến tính chất nhạy

nhiệt của terpolyme (NIPAM-HEMA-MA)........................................... 105

3.2.4.3. Nghiên cứu quá trình trương và nhả trương của hydrogel

(NIPAM-co-HEMA-co-MA).................................................................. 106

3.2.4.4. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến độ trương cân bằng

của hydrogel (NIPAM-co-HEMA-co-MA)............................................ 107

3.2.4.5. Đặc tính thuận nghịch nhiệt và pH của terpolyme (NIPAM￾HEMA-MA)............................................................................................ 108

3.2.4.6. Tính chất cơ học và ảnh SEM của terpolyme (NIPAM-HEMA￾MA)......................................................................................................... 109

3.3. Nghiên cứu quá trình nhả paracetamol và đánh giá khả năng kích ứng

da của terpolyme (NIPAM-HEMA-MA)...................................................... 112

3.3.1. Quá trình nhả thuốc ở 37oC và 40oC trong môi trường nước cất..... 113

3.3.2. Quá trình nhả thuốc ở 37oC và 40oC trong môi trường khác nhau.. 114

3.3.3. Đánh giá khả năng kích ứng da........................................................ 116

KẾT LUẬN CHUNG...................................................................................... 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 121

PHỤ LỤC......................................................................................................... 134

i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

VIẾT TẮT TIẾNG VIỆT

AIBN Azobisisobutyronitrin

AM Acrylamit

APS Amoni pesunfat

DEAAM N,N'-dietylacrylamit

DNA Deoxyribonucleic axit

DSC Phương pháp phân tích nhiệt vi sai quét

EDX Phổ phân tán năng lượng tia X

GPC Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel

HEMA Hydroxyetyl metacrylat

IPN Hệ mạng lưới đồng xuyên thấm

IR Phổ hồng ngoại

K-T Kelen-Tudos

KLPT Khối lượng phân tử

KPS Kali pesunphat

LCST Nhiệt độ tan giới hạn dưới

LDH Lactat dehydrogenaza

MA Maleic axit

MBA N,N‟- metylenbisacrylamit

MWD Phân bố khối lượng phân tử

NIPAM N-isopropylacrylamit

NVCL N-vinylcaprolactam

(NIPAM-co-AM) Poly(N-isopropylacrylamit-co-acrylamit)

(NIPAM-co-HEMA) Poly(N-isopropylacrylamit-co-hydroxyetyl

metacrylat)

(NIPAM-co-HEMA-co- Terpolyme(N-isopropylacrylamit-hydroxyetyl

ii

AM) metacrylat-maleic axit)

(NIPAM-co-MA) Poly(N-isopropylacrylamit-co-maleic axit)

PAA Poly(acrylic axit)

PDEAAM Poly(N,N'-dietylacrylamit)

PDI Mức độ đa phân tán của khối lượng phân tử

PEG Poly(etylenglicol)

PEO Poly(etylene oxit)

PIOZ Poly(2-oxazolin)

PIPOZ Poly(2-isopropyl-2-oxazolin)

PMA Poly(metacrylic axit)

PMMA Poly metylmetacrylat

PNIPAM Poly(N-isopropylacrylamit)

PNVCL Poly(N- vinylcaprolactam)

PO Propylen oxit

PPO Poly(propylen oxit)

PVD Poly(vinylacetaldietylaminoacetat)

PVME Poly(vinyl metyl ete)

SDS Natri dodecylsunphat

SEM Phương pháp hiển vi điện tử quét

SW Mức độ trương

TBHP Tert-butyl hydropeoxit

TEMED N,N,N‟,N‟- tetrametyletylendiamin

TGA Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng

THF Tetrahydrofuran

UV Phổ tử ngoại- khả kiến

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1: LCST của một số dung dịch thuộc nhóm acrylamit.........................17

Bảng 1.2. Tính chất nhiệt động của một số polyme LCST...............................20

Bảng 1.3. Một số ví dụ về phương pháp điều chế và các monome ..................41

Bảng 1.4. Một số hydrogel điều chế bằng các phương pháp khác nhau...........41

Bảng 3.1. Quá trình trùng hợp NIPAM với hệ khơi mào APS.........................63

Bảng 3.2. Quá trình trùng hợp NIPAM với hệ khơi mào APS-TEMED..........64

Bảng 3.3. Khối lượng phân tử trung bình và mức độ đa phân tán của KLPT

PNIPAM khi sử dụng hệ xúc tác APS và APS/TEMED..................................64

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất sản phẩm thu được ..............64

Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ monome đến quá trình tổng hợp PNIPAM

...........................................................................................................................66

Bảng 3.6. LCST của các mẫu PNIPAM có KLPT trung bình khác nhau.........67

Bảng 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ PNIPAM đến nhiệt độ LCST....................67

Bảng 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới đến tính chất của hydrogel

NIPAM..............................................................................................................69

Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng MBA đến độ bền cơ lý của hydrogel ...71

Bảng 3.10. Thành phần của NIPAM và AM trong hỗn hợp đầu vào và trong

copolyme ...........................................................................................................77

Bảng 3.11. Các hệ số trong phương trình Kelen-Tudos...................................77

Bảng 3.12. Nhiệt độ LCST của các dung dịch copolyme (NIPAM-AM) ........80

Bảng 3.13. Ảnh hưởng của hàm lượng AM đến độ bền cơ lý của hydrogel ....85

Bảng 3.14. Thành phần của NIPAM và HEMA trong hỗn hợp đầu vào và trong

copolyme ...........................................................................................................87

Bảng 3.15. Các hệ số trong phương trình Kelen-Tudos...................................88

Bảng 3.16. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol HEMA đến nhiệt độ LCST copolyme

(NIPAM-HEMA)..............................................................................................90

iv

Bảng 3.17. Ảnh hưởng của hàm lượng HEMA đến độ bền cơ lý của các mẫu

hydrogel.............................................................................................................94

Bảng 3.18. Thành phần của NIPAM và MA trong hỗn hợp đầu vào và trong

copolyme ...........................................................................................................95

Bảng 3.19. Các hệ số trong phương trình Kelen-Tudos...................................95

Bảng 3.20. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol MA đến LCST trong môi trường có pH

khác nhau...........................................................................................................98

Bảng 3.21. Ảnh hưởng của hàm lượng MA đến độ bền cơ lý của các mẫu

hydrogel...........................................................................................................102

Bảng 3.22. Ảnh hưởng của hàm lượng MA đến nhiệt độ LCST của terpolyme

(NIPAM-HEMA-MA) ....................................................................................106

Bảng 3.23. Ảnh hưởng của hàm lượng MA đến tính chất cơ lý của terpolyme

(NIPAM-HEMA-MA) ....................................................................................110

v

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN

Hình 1.1. Khả năng trương nở của hydrogel ứng đáp lại thay đổi của môi

trường ..................................................................................................................5

Hình 1.2. Lực trương trong hydrogel..................................................................8

Hình 1.3. Liên kết hydro của nước với PolyNIPAM........................................14

Hình 1.4. Giản đồ pha của hệ polyme có điểm LCST hoặc UCST ..................15

Hình 1.5. Cấu tạo của monome để tổng hợp polyme nhạy nhiệt......................16

Hình 1.6. Tính chất tách pha phụ thuộc cân bằng giữa các nhóm kị nước và ưa

nước...................................................................................................................16

Hình 1.7. Hình dạng khác nhau của giản đồ nhiệt đối với các polyme LCST 21

Hình 1.8. Mạch chính của hydrogel nhạy nhiệt................................................22

Hình 1.9. Cơ chế nhả thuốc của hydrogel nhạy nhiệt.......................................26

Hình 1.10. Sơ đồ giải thích quá trình dẫn thuốc tới ruột kết sử dụng các

hydrogel nhạy pH và có khả năng phân hủy sinh học ......................................31

Hình 1.11. Sơ đồ quá trình tổng hợp hydrogel .................................................40

Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của NIPAM(a) và PNIPAM (b)..............................68

Hình 3.2. Quá trình trương của hydrogel NIPAM có nồng độ chất tạo lưới khác

nhau ở 20oC.......................................................................................................70

Hình 3.3. Quá trình nhả trương của hydrogel NIPAM có nồng độ chất tạo lưới

khác nhau ở 50oC ..............................................................................................71

Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaCl đến mức độ trương..........72

Hình 3.5. Tính thuận nghịch nhiệt của hydrogel theo thời gian khi thay đổi đột

ngột nhiệt độ ở 20oC và 50oC............................................................................73

Hình 3.6. Ảnh SEM bề mặt mẫu hydrogel được tổng hợp ở 20oC...................74

Hình 3.7. Ảnh SEM bề mặt hydrogel ở 20oC và 37oC.....................................75

Hình 3.8. Ảnh SEM mặt cắt ngang của mẫu hydrogel được tổng hợp ở 20oC,

hàm lượng MBA chiếm 1,2% ...........................................................................75