Luận án Nghiên cứu điều chế một số vật liệu mới từ Chitosan

nên có thể xem đây như là quá trình tạo CTS có DDA thấp hơn. Do đó, sự có mặt của các nhóm chức và các liên kết đặc trưng trong hai mẫu CTS và WSC rắn trong phổ IR là tương tự nhau. Tuy nhiên, peak dao động của các nhóm OH, NH2 trong phổ IR của WSC và CTS có sự khác nhau. Trong phổ IR của CTS, peak này giãn rộng và có cường độ mạnh chứng tỏ các nhóm OH và NH2 đã tham gia tạo liên kết hydro liên phân tử. Nhưng trong phổ IR của WSC, peak này ít giãn rộng hơn và có cường độ thấp hơn so với peak tương ứng trong phổ IR của CTS. Điều này chứng tỏ quá trình N-acetyl hóa đã phá vỡ liên kết hydro giữa các nhóm OH và NH2 trong các chuỗi polymer của CTS ban đầu. Sự phá vỡ các liên kết hydro này cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến sản phẩm N-acetylated chitosan hòa tan được trong nước và WSC rắn có độ tinh thể thấp hơn so với CTS ban đầu [35], [65]. Như vậy, từ các kết quả phân tích phổ IR ở trên cho thấy, quá trình N-acetyl hóa không chỉ tạo thành CTS có DDA thấp hơn so với CTS ban đầu, mà còn cắt đứt các liên kết hydro giữa các chuỗi mạch polymer của CTS làm cho sản phẩm WSC có khả năng hòa tan trong nước cao hơn. Kết quả này một lần nữa được khẳng định qua các kết quả phổ XRD và ảnh SEM của các vật liệu thu được. 47 3.1.1.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X 0 10 20 30 40 50 60 (130) (110) (020) C ö ô øn g ñ o ä ( c p s ) Goùc nhieãu xaï 2(ñoä) 100 Chitin CTS WSC raén Hình 3.4. Giản đồ XRD của chitin, CTS và WSC rắn Pha tinh thể và cấu trúc của các mẫu chitin, CTS và WSC rắn được xác định bằng phương pháp XRD. Giản đồ XRD ở Hình 3.4 cho thấy chitin ban đầu tồn tại ở dạng α-chitin có độ tinh thể cao thể hiện ở các peak đặc trưng có cường độ lớn và sắc nét. Đó là các peak tại các góc nhiễu xạ 2θ = 10°, 19° và 23° tương ứng với các mặt phản xạ (020), (110) và (130) [38]. Giản đồ XRD của CTS đã biến mất các peak ở góc nhiễu xạ 2θ = 10° và 23°. Peak tại 2θ = 19° có sự giảm mạnh về cường độ và độ sắc nét. Kết quả này cho thấy CTS thu được ở dạng tinh thể nhưng có độ tinh thể thấp hơn so với chitin ban đầu. Giản đồ XRD của WSC rắn không xuất hiện peak tinh thể, chỉ có một đỉnh tù tại góc 2θ ~ 20° chứng tỏ WSC rắn có tính tinh thể rất thấp, tồn tại ở dạng vô định hình. Như vậy, quá trình N-acetyl hóa đã làm giảm độ tinh thể của sản phẩm so với CTS ban đầu và đồng thời đã có sự chuyển hóa về cấu trúc từ trạng thái tinh thể ở CTS sang trạng thái vô định hình của WSC rắn. 48 3.1.1.3. Phân tích nhiệt trọng lượng Giản đồ TGA của CTS và WSC rắn trong không khí được trình bày ở Hình 3.5. Các kết quả phân tích nhiệt của CTS và WSC rắn cho thấy không có sự khác biệt nhiều về hình dạng của đường cong TGA. Điều này chứng tỏ các giai đoạn phân hủy/cháy của CTS và WSC trong không khí là tương tự nhau. Giản đồ TGA (Hình 3.5) cho thấy CTS và WSC có ba khoảng mất khối lượng. Giai đoạn thứ nhất, từ khoảng 40 – 300 C đối với CTS và 40 – 178 C đối với WSC, là sự mất khối lượng do nước hấp phụ lên vật liệu với hàm lượng nước mất đi tương ứng với CTS và WSC lần lượt là 14,8 và 23,4%. Giai đoạn mất khối lượng thứ hai đối với CTS và WSC lần lượt nằm trong khoảng 300 – 494 C và 178 – 374 C tương ứng với quá trình cắt đứt các liên kết 1,4 – glicozit giữa các mắt xích trong chuỗi polymer của CTS và WSC. Đồng thời các đơn vị mắt xích trong các chuỗi polymer này cũng bị phân hủy/cháy một phần tạo thành các phân tử dễ bay hơi như H2O. Khoảng mất khối lượng thứ ba, từ 494 – 768 C đối với CTS và từ 374 – 524 C đối với WSC, tương ứng với sự phân hủy/cháy của phần còn lại trong phân tử CTS và WSC. Kết quả phân tích nhiệt TGA cho thấy CTS bắt đầu phân hủy/cháy ở nhiệt độ 300 °C và bị phân hủy/cháy hoàn toàn ở 768 C. Trong khi đó, WSC bắt đầu phân hủy/cháy ở nhiệt độ 178 C và bị phân hủy/cháy hoàn toàn ở nhiệt độ 524 °C. Như vậy, CTS có độ bền nhiệt cao hơn so với WSC. Điều này có thể giải thích là do WSC có độ tinh thể thấp hơn so với CTS và giữa các chuỗi mạch polymer không có hoặc ít tồn tại liên kết hydro liên phân tử như giữa các chuỗi mạch trong màng CTS ban đầu. Do đó nhiệt độ phân hủy/cháy hoàn toàn trong không khí của WSC thấp hơn so với CTS. 49 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 20 40 60 80 100 K h o ái l ö ô ïn g ( % ) Nhieät ñoä ( o C) CTS WSC Hình 3.5. Giản đồ TGA của CTS và WSC rắn trong không khí 3.1.1.4. Ảnh kính hiển vi điện tử quét Ảnh SEM được sử dụng để đánh giá sự biến đổi hình thái của sợi nano chitosan sau khi tiến hành N-acetyl hóa và hóa rắn. Hình 3.6. Ảnh SEM (a,b,c) mặt cắt, (d,e) bề mặt của màng CTS và (f) mô hình biểu diễn cấu trúc lớp xoắn trái kiểu Bouligand của màng CTS 50 Ảnh SEM mặt cắt và bề mặt (Hình 3.6) cho thấy màng CTS được tạo bởi các lớp có bề dày khoảng 0,5 - 1,0 μm. Mỗi lớp được tạo thành bởi các sợi nano CTS có đường kính khoảng 50 nm. Các sợi nano này sắp xếp theo trật tự xoắn ngược chiều kim đồng hồ so với lớp bên dưới. Đây là trật tự xoắn trái đặc trưng cho cấu trúc Bouligand thường gặp trong thiên nhiên như cấu trúc vỏ của các loài giáp xác [92]. Quá trình xoắn lớp tuần hoàn lặp lại này hình thành một “pitch” có chiều cao đúng bằng bước sóng của ánh sáng tới. Quá trình phản xạ xảy ra trong vùng ánh sáng khả kiến nên xuất hiện màu óng ánh như cầu vồng ở màng CTS điều chế được. Tiến hành sấy đông khô chân không dung dịch WSC thu được sản phẩm WSC rắn. Ảnh SEM (Hình 3.7) cho thấy WSC rắn tồn tại dạng tấm có bề mặt nhẵn mịn và không quan sát thấy cấu trúc sợi trên bề mặt tấm. Các tấm này sắp xếp đan xen nhau không theo một trật tự nào tạo thành cấu trúc xốp giống aerogel. Hình 3.7. Ảnh SEM của tấm WSC rắn ở các độ phân giải khác nhau Như vậy, kết quả SEM ở Hình 3.6 và Hình 3.7 cho thấy quá trình N-acetyl hóa và hóa rắn đã kèm theo sự chuyển hóa về hình thái của các vật liệu từ dạng sợi nano trong màng CTS xoắn lớp ban đầu chuyển thành dạng tấm nano của WSC rắn trong khung mạng aerogel. 51 3.1.1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 2 4 6 Khöû haáp phuï Haáp phuï AÙp suaát töông ñoái (P/P o ) T h e å t í c h k h í h a áp p h u ï ( c m 3 / g , S T P ) Hình 3.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ của WSC rắn Tính chất xốp của vật liệu được đánh giá bằng phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ. Hình 3.8 trình bày đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ của vật liệu WSC rắn. Kết quả cho thấy đường đẳng nhiệt thuộc loại II theo phân loại của IUPAC, chứng tỏ vật liệu có cấu trúc mao quản lớn ở khoảng trống giữa các tấm WSC. Cấu trúc mao quản lớn trong WSC rắn được tạo thành do sự tự sắp xếp không trật tự của các tấm WSC rắn đã tạo thành các khoảng không lớn giữa các tấm WSC. Tóm lại từ các kết quả đặc trưng của WSC rắn ở trên cho thấy đã có sự chuyển hóa về cấu trúc và hình thái của CTS trong quá trình điều chế WSC từ màng CTS xoắn lớp. Đó chính là sự chuyển hóa từ dạng sợi tinh thể nano CTS trong màng CTS xoắn lớp thành dạng tấm WSC vô định hình trong WSC rắn xốp. Đây là một trong những phát hiện mới về sự chuyển hóa trong cấu trúc và hình thái của CTS trong quá trình điều chế chitosan tan trong nước. 52 3.1.2. Điều chế hydrogel chitosan Hydrogel CTS thu được trong suốt, không màu (Hình 3.9). Từ 50 mL dung dịch WSC 3 % thu được 12,5 g hydrogel. Kết quả thu được hydrogel với hàm lượng nước trong gel chiếm 88 %. Hydrogel của CTS và dẫn xuất của CTS đã được một số nhà khoa học nghiên cứu điều chế, tuy nhiên các hydrogel này hầu như đều được hình thành trong môi trường axit [42], [120]. Hydrogel CTS trong nghiên cứu này là một trong những hydrogel CTS mới được tạo thành ở môi trường trung tính và hứa hẹn sẽ là vật liệu sinh học ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong y học như phân phối thuốc và công nghệ mô. Hình 3.9. Hydrogel CTS thu được khi kết tủa dung dịch WSC bằng ethanol 3.1.3. Điều chế và đặc trưng aerogel WSC-glyoxal 3.1.3.1. Điều chế aerogel WSC-glyoxal Phản ứng giữa WSC ở dạng dung dịch tan trong suốt, không màu với glyoxal đã tạo thành WSC-glyoxal dạng hydrogel màu vàng đậm (Hình 3.10a). WSC có thể phản ứng với glyoxal tạo thành hydrogel khi nồng độ của dung dịch nằm trong khoảng từ 3 đến 10 %. Ở nồng độ thấp hơn, phản ứng có xu hướng tạo thành các tập hợp sợi nano phân bố trong dung dịch. Tiến hành sấy đông khô chân không 800 mg hydrogel thu được 200 mg sản phẩm aerogel WSC-glyoxal (Hình 3.10b). Aerogel thu được giữ nguyên hình dạng của cốc đựng hydrogel và có cấu trúc xốp. So sánh với aerogel WSC rắn, aerogel WSC-glyoxal có cấu trúc xốp và cứng hơn, có thể cắt thành những miếng nhỏ hơn mà không bị vỡ vụn (Hình 3.10c). 53 Hình 3.10. (a) Hydrogel WSC-glyoxal, (b) aerogel WSC-glyoxal thu được sau khi sấy đông khô chân không hydrogel WSC-glyoxal và (c) aerogel WSC-glyoxal sau khi được cắt thành những miếng nhỏ 3.1.3.2. Một số đặc trưng của vật liệu aerogel WSC-glyoxal Vật liệu WSC-glyoxal được đặc trưng bởi một số phương pháp như IR, XRD, TGA, BET và SEM. Phổ IR của WSC-glyoxal (Hình 3.11) ghi nhận sự có mặt của các dao động tương tự phổ IR của WSC như dao động tại các số sóng 3300 - 3550 cm1 (dao động hóa trị của liên kết OH và NH chồng lên nhau), 2865 - 2920 cm1 (dao động hóa trị của liên kết CH), 1404 cm1 (dao động biến dạng hình kéo của liên kết NH/NH2). Ngoài ra, phổ IR của WSC-glyoxal còn xuất hiện một số các dao động tương ứng với các liên kết trong dẫn xuất imine và dẫn xuất acetal. Đó là các dao động tại số sóng 1067 cm1 (dao động hóa trị không đối xứng của nhóm COCOC trong acetal), tại 1634 cm1 (dao động hóa trị của nhóm C=N), và tại 1720 cm1 (dao động hóa trị của nhóm N=CC=O) [10], [122]. Sự có mặt các dao động của các liên kết trong dẫn xuất imine và dẫn xuất acetal này cũng đã được ghi nhận trong kết quả nghiên cứu của một số tác giả khác như Chen và cs [17], Knaul và cs [62], Yang và cs [142]. 54 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 WSC-glyoxal WSC Soá soùng (cm -1 ) Ñ o ä t r u y e àn q u a ( % )  O-H , N-H  C-H  N=C-C=O  N-H  C=N , C=O  as (C-O-C-O/acetal)  O-H , N-H  C-H  N-H  C=N , C=O 2 0 % Hình 3.11. Phổ IR của WSC-glyoxal và WSC Như vậy, liên kết ngang hóa học (chemical cross-linking) giữa WSC và glyoxal đã được hình thành trong quá trình điều chế WSC-glyoxal. Phân tử WSC có chứa các nhóm chức chứa cặp electron tự do như N̈H2, ÖH. Các nhóm chức này đóng vai trò như là tác nhân nucleophile tấn công vào liên kết C=O trong phân tử glyoxal tạo thành các dẫn xuất imine và acetal tương ứng. Các liên kết ngang có thể hình thành giữa chuỗi polymer của WSC và glyoxal được trình bày trong Hình 3.12. Vì có sự hình thành liên kết ngang giữa các phân tử glyoxal với các chuỗi polymer của WSC nên cấu trúc aerogel WSC-glyoxal thu được là khá vững chắc và do đó có thể cắt thành miếng nhỏ mà không bị vỡ vụn. 55 Hình 3.12. Các liên kết ngang có thể hình thành trong phân tử WSC-glyoxal (a), (b) dẫn xuất acetal và (c), (d) dẫn xuất imine [142] Giản đồ XRD của WSC-glyoxal (Hình 3.13a) không thấy xuất hiện peak tinh thể ở góc nhiễu xạ 2θ ~ 20° đặc trưng cho cấu trúc tinh thể của CTS, mà thay vào đó là peak tù tương tự như của WSC. Như vậy, aerogel WSC-glyoxal điều chế được cũng có cấu trúc vô định hình tương tự như WSC ban đầu. Kết quả này một lần nữa cho thấy đã có sự chuyển pha trong quá trình N-acetyl hóa CTS để điều chế WSC và WSC-glyoxal. 56 Hình 3.13. Giản đồ (a) XRD và (b) TGA trong không khí của WSC-glyoxal, WSC và CTS Giản đồ TGA (hình 3.13b) cho thấy độ bền nhiệt của vật liệu WSC-glyoxal thấp hơn so với CTS ban đầu nhưng cao hơn so với vật liệu WSC rắn. Điều này có thể được giải thích là do có cấu trúc vô định hình nên vật liệu aerogel WSC-glyoxal dễ cháy/phân hủy trong môi trường không khí hơn so với màng CTS có cấu trúc trật tự ban đầu. Mặt khác, nhờ có sự hình thành các liên kết ngang hóa học giữa các chuỗi polymer của WSC với glyoxal nên dạng đường cong TGA của WSC-glyoxal thay đổi so với WSC rắn và nhiệt độ phân hủy/cháy của WSC-glyoxal trong không khí cũng cao hơn so với WSC. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 1 2 3 4 5 6 AÙp suaát töông ñoái (P/P o ) T h e å t íc h k h í h a áp p h u ï ( c m 3 /g , S T P ) Haáp phuï Khöû haáp phuï Hình 3.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ nitơ của aerogel WSC-glyoxal 0 200 400 600 800 0 20 40 60 80 100 (b) K h o ái l ö ô ïn g ( % ) Nhieät ñoä ( o C) CTS WSC WSC-glyoxal 57 Đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ của aerogel WSC-glyoxal (Hình 3.14) thuộc loại II theo phân loại của IUPAC. Đây là dạng đường cong tương ứng với vật liệu có cấu trúc mao quản lớn. Đường cong này có dạng tương tự như đường đẳng nhiệt hấp phụ và khử hấp phụ nitơ của vật liệu WSC rắn. Kích thước lỗ rỗng lớn trong vật liệu aerogel WSC-glyoxal được quan sát rõ hơn trong ảnh SEM của vật liệu. Ảnh SEM của aerogel WSC-glyoxal (Hình 3.15) cho thấy aerogel được tạo thành bởi các tấm có độ dày 10 15 μm, kích thước của các tấm khá lớn, có tấm lên đến 1 mm2. Các tấm có hình dạng cong, không phẳng và sắp xếp không trật tự. Khoảng không gian giữa các tấm lớn, kích thước lỗ rỗng có nơi lên đến vài micromet, lớn hơn rất nhiều so với kích thước lỗ trong aerogel tạo thành từ WSC rắn. Hình 3.15. Ảnh SEM của aerogel WSC-glyoxal ở các độ phân giải khác nhau 58 Ảnh SEM cũng cho thấy bề mặt của các tấm aerogel WSC-glyoxal khá mịn và không quan sát thấy hình dạng sợi trên tấm. Điều này có thể được giải thích là do các tấm không được tạo thành từ các sợi nano mà từ sự tự sắp xếp của mạng lưới polymer để tạo thành tấm. Các tấm này có cấu trúc tương tự như các tấm WSC rắn và khác hoàn toàn so với màng CTS xoắn lớp được tạo thành bởi các sợi nano ban đầu. Các kết quả đặc trưng của các vật liệu WSC rắn và aerogel WSC-glyoxal cho thấy đã có sự chuyển hóa về cấu trúc của CTS ban đầu trong quá trình phân tán và hóa rắn. Sự chuyển hóa có thể được miêu tả như sau: Quá trình N-acetyl hóa chỉ chuyển hóa nhóm NH2 trong phân tử CTS thành nhóm NHCOCH3 mà không gây ảnh hưởng đến chuỗi polymer của CTS. Quá trình này đồng thời đã phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi mạch polymer và làm giảm độ tinh thể của CTS ban đầu. Vì vậy, sản phẩm sau khi N-acetyl hóa có thể hòa tan vào nước và tạo thành dung dịch chứa các chuỗi polymer có mạch phân tử dài. Hệ thống chuỗi sợi nano này đã bị phá vỡ trong quá trình hóa rắn. Trong quá trình sấy đông khô chân không, nước trong dung dịch WSC cũng như trong hydrogel WSC-glyoxal bị đông đá, sau đó thăng hoa và các chuỗi polymer tự kết hợp với nhau trong điều kiện này để tạo thành các tấm vô định hình. Các tấm này sắp xếp đan xen với nhau hình thành cấu trúc đại mao quản aerogel. Quá trình này dẫn đến sự chuyển hóa về cấu trúc cũng như hình thái so với CTS ban đầu. Sự chuyển hóa này được đề nghị như trong Sơ đồ 3.1. 59 Sơ đồ 3.1. Sơ đồ mô tả quá trình chuyển hóa hình thái của CTS Tuy nhiên, điểm đáng chú ý trong nghiên cứu này là độ dài chuỗi polymer của CTS ban đầu có thể không bị cắt ngắn mà gần như được giữ nguyên trong các vật liệu aerogel điều chế được. Đồng thời, kết quả các nghiên cứu trước đây cho thấy quá trình hóa rắn để điều chế aerogel từ dung dịch CTS thường liên quan đến quá trình bay hơi và loại nước để tạo lỗ rỗng cho các dạng vật liệu xốp và tạo thành các sợi hơn là có sự thay đổi về hình thái của vật liệu [128], [129]. Những kết quả trong nghiên cứu này là một trong những báo cáo đầu tiên về sự chuyển hóa cấu trúc từ các sợi tinh thể nano thành các tấm vô định hình xuất hiện ở trạng thái rắn trong các dạng vật liệu aerogel WSC rắn và WSC-glyoxal. 3.1.4. Điều chế và đặc trưng vi cầu chitosan Các vi cầu CTS được điều chế từ dung dịch WSC và glyoxal thông qua phản ứng tạo liên kết ngang trong hệ vi nhũ tương dầu - nước. Các giọt cầu từ dung dịch WSC được tạo thành nhờ sự có mặt chất hoạt động bề mặt là Span 80, được làm bền và cứng bởi tác nhân tạo liên kết ngang là glyoxal. Các vi cầu CTS tạo thành được lọc, rửa sạch với n-hexane và ethanol sau đó sấy khô. Phương pháp tạo liên kết ngang trong hệ nhũ tương là một trong số các phương pháp thường được sử dụng để 60 điều chế các vi cầu CTS do có thể kiểm soát được kích thước của các hạt vi cầu thông qua các yếu tố như tốc độ khuấy, thời gian khuấy, tỉ lệ khối lượng giữa CTS và tác nhân tạo liên kết ngang. Phương pháp này đã được sử dụng để điều chế các vi cầu CTS chứa nhiều loại thuốc như 5-fluorouracil, diclofenac sodium, phenobarbitone, nifedipine, theophyllin, griseofulvin, progesterone [89] Ảnh chụp vi cầu CTS dưới kính hiển vi quang học (Hình 3.16a và b) cho thấy hạt vi cầu CTS điều chế được có đường kính phân bố chủ yếu trong khoảng từ 10 đến 50 μm. Kích thước hạt vi cầu CTS của Denkbas và cs điều chế được nằm trong khoảng 10  200 μm [24], của Jameela và cs là 45  300 μm [51], Ranjan và cs là 75  250 μm [107]. Kích thước của các hạt vi cầu CTS trong nghiên cứu này phân bố trong khoảng hẹp hơn so với kết quả của một số nghiên cứu đã nêu trên. Độ đồng đều trong kích thước của các hạt vi cầu là một trong các yếu tố quan trọng liên quan đến khả năng ứng dụng của nó, đặc biệt là trong lĩnh vực phân phối thuốc [89]. Hình 3.16. (a), (b) Ảnh chụp dưới kính hiển vi quang học (c) Ảnh SEM và (d) Ảnh TEM của vi cầu CTS 61 Ảnh SEM và TEM (Hình 3.16c và d) cho thấy các hạt vi cầu đặc, có bề mặt tương đối nhẵn mịn, được tạo thành từ sự tự sắp xếp của các chuỗi polymer của CTS. Trên bề mặt các hạt vi cầu này cũng không thấy sự xuất hiện của các sợi nano CTS, tương tự như các sản phẩm aerogel điều chế được ở trên. Như vậy, trong quá trình điều chế vi cầu CTS từ dung dịch WSC đã có sự biến mất cấu trúc dạng sợi của chuỗi polymer CTS ban đầu và thay vào đó là sự kết hợp của các chuỗi sợi polymer này để tạo thành bề mặt nhẵn mịn trong hạt vi cầu CTS. Vi cầu CTS điều chế được trong nghiên cứu này có bề mặt mịn giống một số nghiên cứu như Jameela và cs [51], Shanmuganathan và cs [118]. Trong khi đó, nghiên cứu của Duan và cs [26] ghi nhận hạt vi cầu CTS giữ nguyên cấu trúc sợi của CTS và dẫn xuất CTS ban đầu. Hình thái cũng là một trong các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng giải phóng thuốc trong ứng dụng phân phối thuốc của hạt vi cầu CTS. Jameela và cs [51] đã điều chế được hạt vi cầu CTS chứa progesterone có bề mặt nhẵn mịn và đã chứng minh được khả năng giải phóng thuốc của các hạt vi cầu này là chậm và đồng đều hơn các hạt vi cầu tạo bởi ma trận protein hay lactide/glycolide polymer. Các hạt vi cầu dạng có bề mặt nhẵn mịn này thường thích hợp trong việc ứng dụng làm chất mang các loại thuốc cần giải phóng chậm. Như vậy, trong nghiên cứu này các hạt vi cầu CTS đã được điều chế thành công từ dung dịch WSC bằng phương pháp tạo liên kết ngang trong hệ nhũ tương với cấu trúc đặc và bề mặt nhẵn mịn. Quá trình điều chế cũng đã làm biến mất cấu trúc dạng sợi của CTS trong dung dịch WSC ban đầu. 3.1.5. Điều chế và đặc trưng màng chitosan Màng WSC thu được bằng cách cho bay hơi từ từ dung dịch WSC (Hình 3.17a). Màng WSC trong suốt, không màu, mềm dẻo, dai và không bị hòa tan trở lại trong nước (Hình 3.17b). Tuy không bị tan trở lại nhưng màng WSC bị trương phồng nhẹ khi được ngâm trong nước trong một thời gian dài. Màng WSC đã được xử lý bằng dung dịch kiềm loãng (Hình 3.17c,d). Mặc dù WSC tan tốt ở trong nước nhưng màng WSC thu được lại trở nên bền và không tan trở lại ở trong nước. Điều 62 này chứng tỏ đã có sự thay đổi trong cấu trúc của màng WSC so với sợi WSC trong dung dịch ban đầu. Hình 3.17. (a) Màng WSC thu được sau khi sấy khô dung dịch WSC (b) Màng WSC không tan trở lại ở trong nước (c) Xử lý màng WSC trong dung dịch NaOH loãng (d) Màng WSC được sấy khô sau khi xử lý với kiềm loãng Trên hình ảnh SEM của màng WSC (Hình 3.18b) không tìm thấy sự có mặt của các sợi nano trên bề mặt của màng như màng CTS xoắn lớp ban đầu (Hình 3.18a). Như vậy, cấu trúc sợi của màng CTS ban đầu đã biến mất sau quá trình N- acetyl hóa, hòa tan và làm bay hơi nước. Quá trình làm bay hơi nước trong dung dịch WSC đã dẫn đến sự kết hợp các chuỗi sợi WSC để tạo thành các tấm vô định hình trong quá trình tạo màng. Hình 3.18. Ảnh SEM bề mặt (a) màng CTS ban đầu và (b) màng WSC điều chế từ dung dịch WSC sau khi được xử lý với dung dịch kiềm loãng 63 Giản đồ XRD của màng WSC (Hình 3.19a) không xuất hiện peak tinh thể vào, đặc biệt là peak tinh thể đặc trưng của CTS ở góc nhiễu xạ 2θ ~ 20°. Kết quả này cho thấy màng WSC có cấu trúc vô định hình. Kết quả phân tích TGA trong không khí (Hình 3.19b) cho thấy màng WSC trước khi được xử lý với dung dịch kiềm loãng bắt đầu bị phân hủy ở nhiệt độ 285 °C và phân hủy/cháy hoàn toàn ở 625 °C. Nhưng sau khi được xử lý với dung dịch kiềm, màng WSC bắt đầu bị phân hủy/cháy ở nhiệt độ cao hơn 320 °C và bị phân hủy hoàn toàn ở nhiệt độ 675 °C. Như vậy quá trình xử lý với kiềm loãng đã cải thiện độ bền nhiệt của màng WSC điều chế được. Điều này có thể được giải thích là do kiềm đã phản ứng với nhóm – NHCOCH3 để giải phóng nhóm –NH2 trong chuỗi polymer của WSC. Quá trình này đã làm tăng số lượng nhóm –NH2 nên đã tăng cường sự tạo thành liên kết hydro giữa các chuỗi polymer, dẫn đến cải thiện độ bền cơ học cũng như độ bền nhiệt của màng WSC. Hình 3.19. (a) Giản đồ XRD của màng WSC sau khi xử lý với kiềm loãng và (b) Giản đồ TGA của màng WSC trước (WSC(t)) và sau (WSC(s)) khi xử lý với kiềm loãng Những kết quả đặc trưng trên cho thấy sự tạo thành màng WSC từ dung dịch WSC cũng có kèm theo sự thay đổi về hình thái của vật liệu tương tự như quá trình tạo WSC rắn. Các chuỗi polymer WSC đã tương tác với nhau và tự kết hợp lại trong 64 quá trình hóa rắn dẫn đến sự biến mất hình dạng sợi nano của chuỗi polymer ban đầu trong màng WSC. * Kết luận phần 3.1: Trong phần nội dung nghiên cứu này, luận án đã thu được các kết quả sau: - Màng CTS có cấu trúc sợi xoắn lớp kiểu Bouligand đã được điều chế thành công từ vỏ cua và màng CTS đã được sử dụng để điều chế dung dịch WSC và WSC rắn. Kết quả phân tích đặc trưng cho thấy quá trình N-acetyl hóa đã chuyển hóa các sợi tinh thể nano chitosan thành sản phẩm N-acetylated chitosan có cấu trúc vô định hình và tan tốt trong nước. Đồng thời, quá trình sấy đông khô chân không đã kèm theo sự tự kết hợp các sợi chitosan tan thành các tấm vô định hình trong sản phẩm WSC rắn dạng xốp aerogel. - Dung dịch WSC đã được sử dụng làm tiền chất để điều chế một số dạng vật liệu khác của CTS. Đó là hydrogel CTS, aerogel WSC-glyoxal, vi cầu WSC- glyoxal và màng CTS. Các vật liệu điều chế đã được đặc trưng bằng các phương pháp IR, XRD, TGA, BET, UV-vis, SEM và TEM. - Những kết quả đặc trưng của các vật liệu điều chế được đã ghi nhận có sự tạo thành liên kết ngang giữa chitosan và glyoxal trong các vật liệu aerogel và vi cầu chitosan. Đồng thời, có sự biến mất cấu trúc sợi tinh thể nano của chitosan trong màng chitosan xoắn lớp ban đầu trong các vật liệu điều chế được. Quá trình sấy khô đã kèm theo sự tự kết hợp các sợi nano acetylated chitosan thành các tấm vô định hình trong các vật liệu aerogel và màng. Đây là một trong số những phát hiện mới về sự chuyển hóa cấu trúc và hình thái của CTS trong quá trình điều chế các vật liệu WSC. 3.2. TỔNG HỢP POLYTHIOPHENE/CHITOSAN VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA Trong phần nội dung này, màng CTS được nghiên cứu sử dụng để tổng hợp vật liệu polythiophene/chitosan (PTh/CTS) bằng phương pháp polymer hóa oxy hóa. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu PTh/CTS đã được khảo 65 sát, bao gồm thời gian, nhiệt độ và tỉ lệ số mol giữa thiophene và chất oxy hóa. Vật liệu PTh/CTS cũng đã được nghiên cứu biến tính điện cực than thủy tinh ứng dụng trong xác định đồng thời axit uric, xanthin, hypoxanthin và cafein. 3.2.1. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu polythiophene/chitosan 3.2.1.1. Ảnh hưởng của thời gian Hình 3.20. Các sản phẩm PTh/CTS ở các thời gian khảo sát (a) PTh/CTS-4h, (b) PTh/CTS-5h, (c) PTh/CTS-6h, (d) PTh/CTS-7h Tiến hành khảo sát quá trình tổng hợp PTh/CTS ở các thời gian 4, 5, 6 và 7 giờ thu được các sản phẩm PTh/CTS được trình bày ở Hình 3.20. Các sản phẩm PTh/CTS-4h, PTh/CTS-5h, PTh/CTS-6h và PTh/CTS-7h đều có màu đen và óng ánh. Các sản phẩm PTh/CTS-4h, PTh/CTS-5h và PTh/CTS-6h vẫn giữ nguyên hình dạng của màng CTS ban đầu. Riêng mẫu PTh/CTS-7h có hiện tượng màng bắt đầu bị rã nát và không còn giữ hình dạng nguyên vẹn của màng CTS ban đầu như các mẫu PTh/CTS-4h, PTh/CTS-5h và PTh/CTS-6h. Hàm