Luận án 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

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

pdf151 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Lượt xem: 512 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
, tinh khiết (Trung Quốc). NaCl; NaHCO3; KCl; Na2HPO4.2H2O; MgCl2.6H2O; CaCl2; KH2PO4; MgSO4.7H2O, MgSO4: tinh khiết, Sigma-Aldrich (Mỹ). Quinin ở dạng bột khô, nhiệt độ chảy mềm 173-175 °C, tinh khiết ≥98.0%, Aldrich. Cloroform, diclometan: tinh khiết (Trung Quốc). Gluco ở dạng bột (Pháp). Gluco, pepton; cao men; dịch hoạt hóa nuôi vi khuẩn, chủng Bacillus subtilis W2 do Phòng Công nghệ lên men, Viện Công nghệ Sinh học cung cấp. 42 2.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/CS 2.2.1. Chế tạo màng tổ hợp PLA/CS bằng phƣơng pháp dung dịch Hòa tan PLA trong dung môi cloroform. Lấy CS hòa tan trong dung môi axit axetic 1%. PCL, PEG, PEO đóng vai trò là chất tƣơng hợp đƣợc thêm vào dung dịch PLA với các tỉ lệ khác nhau (0, 2, 4, 6, 8, 10 %kl. so với PLA). Sau đó, cả hai dung dịch chứa PLA và CS đƣợc trộn lẫn với nhau trong 5 phút bằng máy khuấy siêu âm để thu đƣợc dung dịch đồng nhất. Đổ dung dịch lên đĩa petri và sấy ở 30- 35 oC trong 2 ngày thu đƣợc màng tổ hợp PLA/CS có và không có các chất tƣơng hợp với hàm lƣợng thay đổi từ 0 - 10%kl. Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo màng tổ hợp PLA/CS bằng phương pháp dung dịch 2.2.2. Chế tạo hạt tổ hợp PLA/CS bằng phƣơng pháp vi nhũ Phƣơng pháp vi nhũ nƣớc/dầu/nƣớc (n/d/n) đƣợc sử dụng để chế tạo hạt vật liệu tổ hợp PLA/CS. Trƣớc tiên, nƣớc đƣợc rót vào dung dịch PLA và PCL hoà tan trong dung môi điclometan để tạo thành một hệ nhũ tƣơng nƣớc/dầu. Tiếp theo, nhũ tƣơng nƣớc/dầu nhanh chóng đƣợc rót vào hệ nƣớc chứa dung dịch axit axetic 1% có chitosan và polyetylen oxit (PEO) theo hàm lƣợng đã tính toán. Hỗn hợp Máy khuấy siêu âm PLA+ CHCl3 CS+ Aax 1% dd tổ hợp Màng tổ hợp PLA/CS 43 trên đƣợc siêu âm trong 15 phút để tạo thành nhũ tƣơng và sau đó đƣợc khuấy mạnh. Các phản ứng đƣợc thực hiện trên thiết bị phản ứng vi sóng MAS-II (Thƣợng Hải, Trung Quốc). Tiếp tục khuấy hỗn hợp cho đến khi dung môi hữu cơ bay hết. Hạt nano hình thành bằng cách thêm nƣớc cất và sau đó làm lạnh. Sau khi làm lạnh, dung dịch đƣợc li tâm, rửa và thu lấy chất rắn. Chất rắn đƣợc đông khô trên thiết bị FreeZone 2.5 của hãng Labconco, USA (Viện Hoá học các hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), sau đó sấy và nghiền thu đƣợc hạt nano PLA/CS. Hình 2.2. Thiết bị phản ứng vi sóng MAS-II 2.3. CHẾ TẠO HẠT TỔ HỢP PLA/CS MANG THUỐC QUININ CHỐNG SỐT RÉT Dung dịch nƣớc thuốc quinin (hòa tan trong etanol) đƣợc rót vào dung dịch PLA và PCL hoà tan trong dung môi điclometan (DCM) để tạo thành một hệ nhũ tƣơng nƣớc/dầu. Tiếp theo, dung dịch nhũ tƣơng nƣớc/dầu trên nhanh chóng đƣợc rót vào hệ nƣớc chứa dung dịch axit axetic 1% có CS và PEO theo hàm lƣợng đã tính toán. Hỗn hợp trên đƣợc siêu âm trong 15 phút trên hệ thống thiết bị phản ứng vi sóng MAS-II để tạo thành nhũ tƣơng và sau đó đƣợc khuấy mạnh. Tiếp tục 44 khuấy hỗn hợp cho đến khi dung môi hữu cơ bay hết. Hạt nano hình thành bằng cách thêm nƣớc và sau đó làm khô lạnh. Sau khi làm lạnh, dung dịch đƣợc li tâm, rửa và thu lấy chất rắn. Chất rắn đƣợc đông khô trên thiết bị FreeZone 2.5 của hãng Labconco, USA (Viện Hoá học các hợp chất thiên nhiên, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), sau đó sấy và nghiền thu đƣợc hạt nano PLA/CS/quinin. Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/CS mang thuốc bằng phương pháp vi nhũ 2.4. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.4.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của PLA, CS, màng tổ hợp PLA/CS có và không có PCL, hạt tổ hợp PLA/CS mang thuốc quinin 400 - 4000 cm -1 Viện Kỹ thuật nhiệt đới. Phổ IR đƣợc ghi dƣới dạng đƣờng cong phụ thuộc phần trăm truyền qua vào số sóng (1/λ) hay bƣớc sóng của bức xạ, sau khi đã bù trừ phổ nền của không khí. Nghiên cứu cấu trúc của PLA, chitosan, màng tổ hợp PLA/CS và hạt tổ hợp này mang thuốc quinin bởi sự thay đổi cƣờng độ hấp thụ và sự dịch chuyển các pic đặc trƣng, từ đó dự đoán sự tƣơng tác giữa các nhóm chức trong PLA và CS. Dung dịch nƣớc thuốc (nƣớc) nƣớc nƣớc/dầu PLA trong DCM (dầu) n/d/n CS + PEO trong axit axetic 1% (nƣớc) Nhũ tƣơng nano (n-d-n) 45 Hình 2.4. Máy đo phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ). 2.4.2. Phƣơng pháp phân tích nhiệt lƣợng quét vi sai Phƣơng pháp phân tích nhiệt lƣợng quét vi sai (DSC) đƣợc thực hiện bằng cách đo sự thay đổi nhiệt lƣợng tỏa ra hay thu vào của vật liệu khi tăng hay giảm nhiệt độ. Từ giản đồ DSC và phần mềm kết nối với thiết bị DSC ta thu đƣợc các thông số nhiệt đặc trƣng của vật liệu nhƣ nhiệt độ kết tinh (Tc), nhiệt độ nóng chảy (Tm), nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) Mẫu đƣợc ghi giản đồ DSC trên máy DSC- 60 của hãng Shimadzu (Nhật Bản) ở điều kiện: gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 200oC, tốc độ nâng nhiệt độ 5oC/phút trong khí argon, tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Khoa Hóa học, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội. 46 Hình 2.5. Máy phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 2.4.3. Nghiên cứu hình thái cấu trúc Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) là thiết bị dùng để chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt và mặt cắt với độ phóng đại lớn gấp nhiều lần so với kính hiển vi quang học vì bƣớc sóng của chùm tia điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với bƣớc sóng của ánh sáng vùng khả kiến. Phƣơng pháp FESEM cho biết kích thƣớc hạt, đặc trƣng bề mặt và cấu trúc vật liệu cần nghiên cứu. - - sau: - Mẫu ở dạng tấm phẳng đƣợc phủ một lớp vàng mỏng để dẫn điện. - Mẫu đƣợc chụp trong môi trƣờng khí nitơ. 47 Hình 2.6. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường S- 4800 (Hitachi, Nhật Bản) 2.4.4. Quang phổ tử ngoại và khả kiến Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ điện tử vùng tử ngoại và khả kiến (UV-Vis) đƣợc áp dụng để xác định định tính, định lƣợng, cấu trúc, nghiên cứu phức chất (xác định thành phần, hằng số bền), hệ số hấp thụ phân tử, nghiên cứu cân bằng ion trong dung dịch, nghiên cứu thuốc thử hữu cơ,... Các bức xạ đơn sắc tử ngoại và khả kiến đƣợc chiếu đến cuvet thạch anh đựng dung môi và dung dịch cần đo. Bộ phận phân tích (detector) sẽ so sánh cƣờng độ chùm sáng đi qua dung dịch (I) và đi qua dung môi (I0). Tín hiệu quang đƣợc chuyển thành tín hiệu điện. Sau khi đƣợc phóng đại, tín hiệu sẽ chuyển sang bộ phận tự ghi để vẽ đƣờng cong sự phụ thuộc của log(I/I0) vào bƣớc sóng. Cƣờng độ của tia đơn sắc trƣớc và sau khi đi qua môi trƣờng hấp thụ đƣợc liên hệ với nhau bởi định luật Lambert-Beer. Absorbance = A = -logT = -log(I/I0) = ε. l. C Với: A: Độ hấp thu C: Nồng độ, (mol/lit) l: Chiều dài lớp dung dịch ( chiều dày cuvet đựng mẫu), (cm) 48 : Hệ số hấp thu phân tử có thứ nguyên hay hệ số hấp thu mol đặc trƣng cho cƣờng độ hấp thu của chất nghiên cứu ỏ bƣớc sóng đã cho, (l/mol.cm) Sử dụng máy ghi phổ UV-VIS để xác định nồng độ của thuốc quinin giải phóng trong các môi trƣờng pH khác nhau. Hình 2.7. Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS. 2.4.5. Nghiên cứu phân bố kích thƣớc hạt Thiết bị xác định phân bố kích thƣớc hạt là thiết bị dùng để xác định khoảng kích thƣớc phân bố của hạt tổ hợp bằng thiết bị Zetasizer-Nano ZS của hãng Malvern – UK bằng phƣơng pháp tán xạ laser động (tại Viện Khoa học Vật liệu). Thiết bị dùng 1 hệ quang học gồm 1 nguồn sáng laser rắn bán dẫn có bƣớc sóng 532nm, công suất 10mW, dải đo kích thƣớc từ: 0.6nm - 6µm, dải đo thế zeta từ - 200 đến +200mV. 49 Hình 2.8.Thiết bị phân tích phân bố kích thước hạt Zetasizer Ver 6.2 Phƣơng pháp tán xạ laser động là phép đo tính toán sự phụ thuộc của cƣờng độ tán xạ laser vào thời gian tán xạ laser trong mẫu. Từ đó xác định hệ số khuếch tán tĩnh D và đƣờng kính thủy động lực học DH từ phƣơng trình Stokes-Einstein: 3 H kT D D Trong đó: k = hằng số Boltzmann, T = nhiệt độ tuyệt đối, = độ nhớt Đại lƣợng đặc trƣng cho độ ổn định của hệ phân tán keo là thế Zeta (ζ). Các hạt với điện tích bề mặt nhất định sẽ hấp phụ từ dung dịch những ion có điện tích trái dấu. Sau đó, những ion đã bị hấp phụ sẽ hấp phụ các ion trái dấu với chúng trong dung dịch, tạo ra một lớp điện tích kép. Thế Zeta thể hiện mức độ đẩy giữa các hạt tích điện cùng dấu gần nhau trong hệ phân tán. Đối với các phân tử và các hạt đủ nhỏ, thế Zeta cao (âm hoặc dƣơng) sẽ cho độ ổn định cao, hệ phân tán sẽ chống lại sự keo tụ. 50 2.4.6. Xác định suy giảm khối lƣợng mẫu Sự phân huỷ của màng tổ hợp PLA/CS có và không có các chất tƣơng hợp đƣợc đánh giá theo sự thay đổi khối lƣợng mẫu sau khi thủy phân. Quá trình thủy phân xảy ra tạo thành các sản phẩm có thể hòa tan trong nƣớc, do đó giảm khối lƣợng của mẫu. Màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất trợ tƣơng hợp đƣợc xác định khối lƣợng và tiến hành thủy phân trong các môi trƣờng: dung dịch kiềm NaOH 0,1N; dung dịch axit HCl 0,1N; dung dịch đệm photphat (pH=7,4); dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời (SBF) và môi trƣờng có tác nhân vi sinh vật. Lọc phần mẫu còn lại chƣa bị thủy phân rồi sấy khô đến khối lƣợng không đổi để xác định % khối lƣợng mẫu phân hủy theo công thức: m = ((mo-md)/mo).100% Trong đó: m: lƣợng mẫu bị mất (%) mo: khối lƣợng mẫu ban đầu (g) md: khối lƣợng mẫu sau thủy phân (g) 2.4.7. Xây dựng đƣờng chuẩn quinin trong các môi trƣờng pH=2 và pH=7,4 Cho một lƣợng quinin nhất định khuấy trong các môi trƣờng có pH = 2 và 7,4. Sau đó lấy dung dịch chứa quinin giải phóng theo thời gian để xác định pic hấp thụ trên máy quang phổ UV-Vis trong các môi trƣờng pH = 2 và 7,4. Từ đó xây dựng đƣợc các đƣờng chuẩn của quinin trong các môi trƣờng pH khác nhau. Xác định hàm lƣợng thuốc quinin giải phóng khỏi hạt tổ hợp PLA/CS trong các môi trƣờng có pH = 2 và pH=7,4 Tƣơng tự nhƣ trên, hạt tổ hợp PLA/CS mang quinin đƣợc khuấy trong các môi trƣờng có pH khác nhau. Tiếp theo lấy dung dịch giải phóng theo thời gian đem xác 51 định pic hấp thụ trên máy quang phổ UV-Vis. Từ đó xác định đƣợc đồ thị giải phòng thuốc quinin khỏi hạt tổ hợp PLA/CS trong các môi trƣờng pH = 2 và 7,4. 2.5. PHÂN HỦY TỔ HỢP PLA/CS TRONG MỘT SỐ MÔI TRƢỜNG Môi trƣờng hóa chất Màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất tƣơng hợp đƣợc cắt thành hình vuông có kích thƣớc 1 x 1 cm để tiến hành phân hủy. Các mẫu đƣợc phân hủy trong các môi trƣờng: dung dịch kiềm NaOH (nồng độ 0,1N); dung dịch axit HCl (nồng độ 0,1N); dung dịch đệm photphat pH=7,4 (KH2PO4 0,1N + NaOH 0,1N); dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời (SBF: 4g NaCl; 0,175g NaHCO3; 0,2g KCl; 0,24g Na2HPO4.2H2O; 0,05g MgCl2.6H2O; 0,09g CaCl2; 0,03g KH2PO4; 0,05g MgSO4.7H2O; 0,5g gluco hòa tan trong 500ml nƣớc cất) [113]. Tất cả thí nghiệm đƣợc đặt ở trạng thái tĩnh. Mỗi ống nghiệm chứa 10ml dung dịch đặt từng mẫu riêng biệt để tiến hành thủy phân. Các thử nghiệm trong môi trƣờng hóa chất đặt ở nhiệt độ phòng, riêng dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời đƣợc đặt trong bể điều nhiệt ở nhiệt độ 37oC. Tác động của tác nhân vi sinh vật Các mẫu màng tổ hợp PLA/CS cắt thành hình vuông có kích thƣớc 1 x 1 cm đƣợc xác định khối lƣợng rồi đƣa vào lọ thí nghiệm (đã đƣợc khử trùng ở 115oC trong 30 phút) chứa 4,5ml môi trƣờng AM: 10g gluco; 5g pepton; 5g cao men; 1g KH2PO4; 0,2g MgSO4 + 10% dịch hoạt hóa nuôi vi khuẩn. Sử dụng chủng Bacillus subtilis W2 của Phòng Công nghệ lên men, Viện Công nghệ Sinh học. Các lọ thí nghiệm đƣợc đặt trong máy lắc với tốc độ 200 vòng/phút ở 30oC. Các mẫu sẽ đƣợc rút sau 2 ngày, 5 ngày, 7 ngày, 10 ngày và 14 ngày, rửa sạch mẫu bằng nƣớc cất, sấy khô trong chân không, xác định sự thay đổi khối lƣợng và cấu trúc của mẫu. Thí nghiệm này đƣợc thực hiện tại Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 52 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. NGHIÊN CỨU MÀNG TỔ HỢP PLA/CS CHẾ TẠO BẰNG PHƢƠNG PHÁP DUNG DỊCH 3.1.1. Nghiên cứu tỷ lệ thành phần thích hợp của màng tổ hợp PLA/CS chế tạo bằng phƣơng pháp dung dịch 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 Hình 3.1 là phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của PLA. Quan sát hình 3.1 nhận thấy trên phổ FTIR của PLA xuất hiện các pic dao động hóa trị và dao động biến dạng của các nhóm đặc trƣng nhƣ nhóm C=O ở 1759 cm-1, C-O-C ở 1199 và 1101 cm -1 và –C–H ở 2991, 2945, 1452 và 1368 cm-1. Trên phổ FTIR của PLA cũng xuất hiện pic dao động với cƣờng độ yếu ở khoảng 3680 cm-1 đặc trƣng cho dao động hóa trị của nhóm -OH tự do của mạch đại phân tử PLA. Hình 3.1 Phổ FTIR của PLA. 53 Hình 3.2 biểu diễn phổ FTIR của chitosan (CS). Ngoài các pic đặc trƣng cho các nhóm –CH và C-O ở 2888, 1153 và 1091 cm-1, còn có pic rộng ở 3426 cm-1 đặc trƣng cho các nhóm -OH và nhóm -NH2, pic ở 1670 cm -1 đặc trƣng cho dao động hóa trị của C=O (trong nhóm CONH), pic ở 1581 cm-1 đặc trƣng cho nhóm –NH3 + , pic ở 1081 và 950 cm-1 đặc trƣng cho cấu trúc vòng saccarit trong CS [47, 89], pic đặc trƣng cho dao động biến dạng nhóm NH2 ở 1570 cm -1 . Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của chitosan (CS). Hình 3.3 là phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS (80/20). Quan sát hình 3.3 và so sánh với phổ IR của PLA, CS, nhận thấy khi phân tán CS vào PLA, vị trí các pic hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trƣng trong PLA và CS có sự dịch chuyển nhẹ so với các pic tƣơng ứng trên phổ FTIR của PLA và CS. Cụ thể, với nhóm C=O trong PLA, píc dao động của nhóm này tƣơng ứng ở 1759 cm-1, còn trong màng tổ hợp PLA/CS (80/20), pic dao động của nhóm này ứng với số sóng 1754 cm-1 (tƣơng ứng với độ dịch chuyển là 5 cm-1). Với nhóm –NH2 trong màng tổ hợp PLA/CS (80/20), pic dao động cũng bị dịch chuyển từ 3426 cm-1 trong chitosan tới số sóng 3431 cm-1 (hình 3.3) (tƣơng ứng với độ dịch chuyển là 5 cm1). Điều này cho thấy PLA và CS đã tƣơng tác với nhau. 54 Hình 3.3 Phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS (80/20). Phân tích tƣơng tự với phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ 60/40, 50/50 và 20/80, các pic dao động của một số nhóm đặc trƣng trong PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau đƣợc trình bày trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong PLA, CS và các màng tổ hợp PLA/CS Số sóng (cm-1) Mẫu Dao động PLA CS PLA/CS (80/20) PLA/CS (60/40) PLA/CS (50/50) PLA/CS (20/80) C=O 1760 - 1754 1742 1747 1744 CH 2945 - 2939 2934 2940 - –OH, NH2 - 3426 3431 3369 3452 3366 C-O-C 1199 - 1183 1177 1181 1155 1101 1081 1084 1078 1086 1078 CH3 1368 - 1367 1379 1381 1378 -NH2 - 1570 - - - - ρ -CH2 - - 757 752 755 664 55 Quan sát bảng 3.1 nhận thấy màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau có sự dịch chuyển các pic đặc trƣng của các nhóm chức trong tổ hợp PLA/CS. Điều này có thể giải thích bởi các tƣơng tác giữa các nhóm chức nhƣ C=O, -OH, C-O-C và NH2, trong PLA và CS. Đó là liên kết hydro và tƣơng tác lƣỡng cực giữa các nhóm C=O trong PLA với NH2 trong CS (hình 3.4) (a) (b) Hình 3.4. Giả thiết về liên kết hydro (a) và tương tác lưỡng cực giữa các nhóm chức trong PLA và CS (b) 56 3.1.1.2. Hình thái cấu trúc của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ khác nhau Để khảo sát sự phân tán của PLA với CS, tiến hành chụp và quan sát ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng (FESEM) của các màng tổ hợp PLA/CS. Hình 3.5 là các ảnh SEM của màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ lần lƣợt là 80/20, 60/40, 50/50 và 20/80. (a) (b) (c) (d) 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. Quan sát ảnh FESEM của các màng tổ hợp PLA/CS với các tỷ lệ PLA/CS khác nhau nhận thấy CS đã phân tán vào trong nền PLA với kích thƣớc hạt khoảng 3-15 µm. Mức độ phân tán của CS vào PLA tốt nhất là ở màng tổ hợp PLA/CS có tỷ lệ 80/20. 57 Từ các kết quả khảo sát ở trên, màng tổ hợp PLA/CS với tỷ lệ 80/20 đƣợc lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo. 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 3.1.2.1 Phổ FTIR của các màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp Hình 3.6 biểu diễn phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất tƣơng hợp polyetylen oxit (PEO). Hình 3.6. Phổ FTIR của PLA, CS và các màng tổ hợp PLA/CS, PLA/CS/4%PEO (PCO4). Khi so sánh phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS/PEO với phổ FTIR của PLA và CS, nhận thấy các pic đặc trƣng cho các nhóm C=O, -CONH, -NH3 + , C-O và C-H dịch chuyển đáng kể. Cụ thể, số sóng tƣơng ứng với các nhóm C=O, - CONH-, -NH3 + , C-O và C-H của màng tổ hợp PCO4 dịch chuyển lần lƣợt 7, 8, 18, 10 và 5-10 cm-1. Số sóng của nhóm đặc trƣng cho vòng saccarit dịch chuyển 5 cm-1 (hình 3.6, bảng 3.2) so với các pic tƣơng ứng trên phổ FTIR của CS. Ngoài ra, pic rộng đặc trƣng cho nhóm - 58 OH và -NH trên phổ FTIR của CS cũng dịch chuyển từ 3426 cm-1 đến 3366 cm-1 (phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS/PEO4). Có thể khi sử dụng PEO làm chất tƣơng hợp cho PLA và CS, PLA và CS đã tƣơng tác mạnh với nhau bằng các tƣơng tác hydro và tƣơng tác lƣỡng cực-lƣỡng cực (giữa nhóm NH2 và OH trong CS với nhóm C=O, COOH trong PLA và nhóm C-O trong PEO) gây ra sự dịch chuyển số sóng của một số nhóm đặc trƣng trên phổ FTIR của màng tổ hợp PLA/CS. Các nghiên cứu tƣơng tự của tác giả M.Rajan [95] cũng đã chỉ ra sự tồn tại của các tƣơng tác này. Các pic dao động đặc trƣng của các màng tổ hợp PLA/CS/PEO với hàm lƣợng PEO 0, 2, 4, 6, 8, 10 %kl (so với PLA), ký hiệu lần lƣợt là PC, PCO2, PCO4, PCO6, PCO8, PCO10 đƣợc liệt kê trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp PLA/CS/PEO Số sóng (cm-1) Mẫu Dao động PC PCO2 PCO4 PCO6 PCO8 PCO10 –OH, NH2 3431 3407 3366 3366 3389 3436 CH 2939 2943 2944 2878 2879 2880 C=O 1754 1755 1766 1764 1755 1757 -NH2 1500 1577 1583 1564 1453 1580 CH3,-CH 1367 1381 1380 1380 1381 1380 C-O-C 1084 1084 1086 1076 1090 1092 –CH2 757 763 753 744 754 755 Tƣơng tự, phổ FTIR và vị trí hấp thụ các nhóm dao động đặc trƣng của màng tổ hợp PLA/CS sử dụng chất tƣơng hợp polyetylen glycol (PEG) đƣợc biểu diễn trên hình 3.7 và bảng 3.3. Màng tổ hợp PLA/CS/PEG với hàm lƣợng PEG bằng 0, 2, 4, 6, 8, 10 %kl (so với PLA), lần lƣợt đƣợc ký hiệu PC, PCG2, PCG4, PCG6, PCG8 và PCG10. 59 Hình 3.7. Phổ FTIR của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS/8%PEG (PCG8). So với phổ FTIR của PLA và CS, nhận thấy màng tổ hợp PCG8 có sự thay đổi cƣờng độ và vị trí số sóng của một số nhóm chức liên kết đặc trƣng. Cƣờng độ hấp thụ ở 3421 cm−1 đặc trƣng cho nhóm OH và nhóm NH2 trong PLA và CS giảm rõ rệt. Ngoài ra, có sự dịch chuyển mạnh của một số píc đặc trƣng cho nhóm C=O, NH2 và nhóm OH trong màng tổ hợp PCG8 so với mẫu PLA và CS. Điều này có thể giải thích bởi liên kết hydro và tƣơng tác lƣỡng cực giữa nhóm NH2 và OH (trong CS), nhóm C=O và OH, C-O-C (trong PEG) và nhóm COOH (trong PLA) của màng tổ hợp PLA/CS/PEG. 60 Bảng 3.3. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp PLA/CS/PEG Số sóng (cm-1) Mẫu Dao động PC PCG2 PCG4 PCG6 PCG8 PCG10 C=O 1754 1754 1756 1754 1758 1757 CH 2939 2887 2945 2884 2878 2885 –OH, NH2 3421 3419 3415 3411 3407 3401 C-O-C 1183 1083 1191 1186 1188 1187 1084 - 1092 1086 1090 1081 CH3 1368 1371 1367 1367 1364 1363 -NH2 1572 - 1588 - - –CH2 757 - 754 - 757 753 Hình 3.8 biểu diễn phổ FTIR của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất tƣơng hợp polycaprolacton (PCL) (PC và PCL6). Các pic dao động đặc trƣng của các màng tổ hợp PLA/CS/PCL với hàm lƣợng PCL 0, 2, 4, 6, 8, 10 %kl (so với PLA), ký hiệu lần lƣợt là PC, PCL2, PCL4, PCL6, PCL8, PCL10 đƣợc trình bày trên bảng 3.4 61 Sô sóng (cm -1 ) 1000200030004000 D ô t ru y ê n q u a ( % ) -C=O -O-H, -N-H -C-H -C-O-C--N-H CS PLA PC PCL6 Số sóng (cm-1) Đ ộ tr u y ề n q u a ( % ) Hình 3.8. Phổ FTIR của PLA, CS, màng tổ hợp PC và PCL6. Bảng 3.4. Vị trí hấp thụ của các nhóm liên kết đặc trưng trong màng tổ hợp PLA/CS/PCL Số sóng (cm-1) Mẫu Dao động PC PCL2 PCL4 PCL6 PCL8 PCL10 C=O 1754 1768 1747 1757 1746 1744 CH 2939 2951 2986 2995 2945 2996 –OH, -NH2 3421 3449 3465 3367 3366 3365 C-O-C 1183 1185 1178 1184 1178 1157 1084 1072 1081 1093 1080 1081 CH3 1368 1384 1381 1382 1362 1381 -NH2 1543 1536 1584 1561 1593 1564 –CH2 757 753 755 755 762 752 62 So với phổ FTIR của PLA và CS, nhận thấy có sự thay đổi cƣờng độ và vị trí số sóng của một số nhóm chức liên kết đặc trƣng trong tổ hợp PC and PCL6. Cƣờng độ hấp thụ ở 3426 cm−1 đặc trƣng cho nhóm OH và nhóm NH2 trong PLA và CS giảm rõ rệt. Ngoài ra, có sự dịch chuyển mạnh hơn (5-20 cm-1) của một số píc đặc trƣng cho nhóm C=O, NH2 và nhóm OH trong màng tổ hợp PCL6 so với mẫu PC, PLA và CS. Điều này có thể giải thích bởi liên kết hydro và tƣơng tác lƣỡng cực giữa nhóm NH2 và OH (trong CS), nhóm C=O và OH (trong PCL) và nhóm COOH (trong PLA) của màng tổ hợp PLA/CS với sự có mặt của PCL. Các nghiên cứu tƣơng tự của các tác giả D. Jeevitha [52] và M.Rajan [95] cũng đã chỉ ra sự tồn tại của các tƣơng tác này. Phổ FTIR của màng tổ hợp PCL2, PCL4, PCL8 và PCL10 cũng tƣơng tự phổ FTIR của màng PC và PCL6 nên không đƣợc trình bày ở đây. (a) 63 (b) Hình 3.9. Giả thiết về 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). 3.1.2.2. Tính chất nhiệt của màng tổ hợp PLA/CS/chất tương hợp Để nghiên cứu các đặc trƣng nhiệt nhƣ nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg), nhiệt độ nóng chảy (Tm) và độ kết tinh của các mẫu nghiên cứu, tiến hành ghi giản đồ DSC của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS có và không có chất tƣơng hợp. Giản đồ DSC của PLA, CS và màng tổ hợp có và không có PCL (PC và PCL6) đƣợc biểu diễn trên hình 3.10. Đặc trƣng DSC và độ kết tinh (χc) của PLA, CS và các màng tổ hợp đƣợc tổng hợp trong bảng 3.5. Nhiệt độ thuỷ tinh hoá (Tg) của PLA ở 54,7 o C và nhiệt độ nóng chảy ở 150,5oC (Tm) đƣợc thể hiện trên giản đồ phân tích nhiệt của PLA. Nhiệt độ Tg của CS là 90,5 oC. Khi phối hợp CS và PCL với PLA, nhiệt độ Tg của màng vật liệu tổ hợp chuyển dịch về phía nhiệt độ lớn hơn so với nhiệt độ Tg của PLA. Màng tổ hợp PC có 2 giá trị nhiệt độ Tg (55,6 o C và 64,3 o C), cho thấy PLA và CS tƣơng hợp và trộn lẫn kém với nhau. Khi đƣa PCL với các hàm lƣợng khác nhau vào màng tổ hợp PLA/CS, nhiệt độ Tg trên giản đồ DSC của các màng PLA/CS/PCL chỉ có 1 giá trị nhiệt độ Tg dịch chuyển từ 2 đến 12 oC so với 64 nhiệt độ Tg của PLA ban đầu. Các giá trị nhiệt độ Tg của màng tổ hợp PLA/CS/PCL (ký hiệu PCL2, PCL4, PCL6, PCL8 và PCL10) đƣợc trình bày trên bảng 3.5. Hình 3.10. Giản đồ DSC của PLA, CS, các màng tổ hợp PC và PCL6 Bảng 3.5. Các đặc trưng DSC và độ kết tinh (χc) của PLA, CS, các màng tổ hợp PC và PLA/CS/PCL Mẫu Tg ( o C) Tm ( o C) ∆Hm (J/g) c * (%) PLA 54,7 150,5 8,5 9,1 CS 90,5 205,3 18,5 - PC 55,6 64,3 157,3 10,8 11,6 PCL2 56,0 148,1 11,8 12,7 PCL4 61,4 148,9 12,5 13,4 PCL6 56,5 157,9 16,7 17,9 PCL8 57,3 148,9 16,0 17,2 PCL10 66,2 150,7 15,9 17,1 Trong đó: độ kết tinh c (%) = ∆Hm x100/∆Hm *, với ∆Hm * =93,1 J/g (PLA); Tg: nhiệt độ thuỷ tinh hoá; Tm: nhiệt độ nóng chảy; ∆Hm: entanpi nóng chảy. 65 Nhiệt độ thuỷ tinh hoá của polyme và hỗn hợp polyme phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm tƣơng tác nội phân tử, hiệu ứng không gian, khối lƣợng phân tử, mật độ liên kết. Khi sử dụng PCL làm chất tƣơng hợp, nhiệt độ Tg của các màng tổ hợp PLA/CS ở giữa 2 nhiệt độ Tg của PLA và CS. Điều này có thể giải thích bởi sự sắp xếp lại cấu trúc tinh thể trong PLA. Đồng thời, khẳng định rằng khả năng tƣơng hợp đã xảy ra giữa 2 pha PLA và CS nhờ liên kết hydro và tƣơng tác lƣỡng cực giữa nhóm NH2 và OH (trong CS), nhóm C=O và OH (trong PCL) và nhóm COOH (trong PLA) nhƣ đã trình bày ở mục 3.1.2. Hiện tƣợng trên dẫn đến sự tăng độ kết tinh tƣơng đối (χc) trong tất cả các màng tổ hợp PLA/CS có sử dụng PCL (bảng 3.5). Tƣơng tự, khi sử dụng PEO, PEG làm chất tƣơng hợp trong màng tổ hợp PLA/CS, các thông số đặc trƣng nhiệt nhƣ Tg, Tm, ∆Hm, c (%) của màng tổ hợp PLA/CS sử dụng PEO và PEG đều có kết quả tƣơng tự nhƣ màng PLA/CS/PCL và đƣợc trình bày trên bảng 3.6. Trên giản đồ DSC của các màng tổ hợp PLA/CS/PEO và PLA/CS/PEG đều chỉ có một giá trị nhiệt độ Tg dịch chuyển về vùng nhiệt độ lớn hơn, tăng từ 8,2oC đến 14,3oC so với giá trị nhiệt độ Tg của PLA ban đầu (bảng 3.6). Điều này chứng tỏ PLA và CS đã tƣơng hợp tốt với nhau khi có PEO, PEG nhờ liên kết hydro và tƣơng tác lƣỡng cực nhƣ mô tả ở hình 3.11. Bảng 3.6. Các đặc trưng DSC, độ kết tinh của PLA, CS và màng tổ hợp PLA/CS, PLA/CS/PEO STT Mẫu Tg ( 0 C) Tm( 0 C) ∆Hm (J/g) c * (%) 1 PLA 54,7 150,5 8,5 9,1 2 CS 90,6 205,3 18,5 - 3 PC 53,6 64,3 157,3 10,8 11,6 4 PCO2 68,6 150,6 11,5 12,4 66 Trong đó: Độ kết tinh c (%) = ∆Hm x100/∆Hm *, với ∆Hm * =93,1 J/g (PLA); Tg: Nhiệt độ thuỷ tinh hoá; Tm: Nhiệt độ nóng chảy; ∆Hm: entanpi nóng chảy. (

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdftoan_van_luan_an_ntt_trang_9333_1853713.pdf
Tài liệu liên quan