Kỹ thuật vật liệu polyme tính năng cao (Quyển 2): Phần 2

Chia sẻ: Minh Tuyết | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 cuốn sách "Vật liệu polyme (Quyển 2 - Vật liệu polyme tính năng cao)" cung cấp cho người học các kiến thức: Polyme phân hủy sinh học và polyme sinh học, polyme dẫn điện và polyme tinh thể lỏng, polyme thông minh và polyme hydrogel thông minh, các biện pháp nâng cao khả năng bền chống cháy cho vật liệu polyme.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật vật liệu polyme tính năng cao (Quyển 2): Phần 2

CHƯƠNG 3 POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ POLYME SINH HỌC 3.1. Giói thiệu chung về polyme phân hủy sinh học và polyme sinh học 3.1.1. Khái niệm vềpolyme có khả năng tự phân hủy, phân hủy học và polyme sinh học Theo quan niệm chung, polyme có khá năng tự phân hủy bao hàm tất cả các loại vật liệupolyme do những tác động của các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng hay vikhuẩn trong môi trường sau một thời gian nhất định b phá vỡ cấu trúc đại phân tử thành các họp chất cỏ khối lượng phân tử thấp hơn và cuối cùng thành khí carbonic và nước. Quá trình phân hủy có thể xảy ra cả trong môi trường tự nhiên và cả trong môi trường cơ thể sống của con người. Đe có thể ứng dụng được trong thực tế, các loại polyme có khả năng tự phân hủy phải thỏa mãn những yêu cầu nhất định. Theo Chielini E. [1] polyme được gọi là polyme tự phân huỷ có thể sử dụng được khi chúng thỏa mân các yêu cầu sau đây: - Giữ nguyên được câu trúc và tính chât giông như các polyme thông thường trong thời gian sử dụng. - Sau khi đã qua sử dụng, polyme bị phân hủy thành các chất có khối lượng phân từ (KLPT) thấp dưới tác động của các tác nhân sinh, lý, hóa tồn tại trong tự nhiên. - Sản phẩm cuối cùng có thể chuyển sang dạng CƠ2 và H2 O,... Mức độ phân huỷ của vật liệu này tuỳ theo điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,... mà mức độ phân huỷ có thể đạt từ 70-90% trong khoảng 3-4 thárìg hoặc có thể lâu hơn. Như vậy, vật liệu polyme có khả năng tự phân hủy trong môi trường bao hàm rộng rãi gồm cả các vật liệu tự phân hủy do tác động của các yếu tố hóa học hoặc vật lý như nhiệt, bức xạ, nước và các yếu tố sinh học đơn thuần hoặc phối hợp của tất cả các yếu tố trên. Còn polyme có khả 111
năng phân hủy sinh học có nhiều quan niệm khác nhau, theo ASTM D 6400-99 định nghĩa “Polyme có khảphân hủy sinh polyme có khả năng bị phân hủy trong tự nhiên do các tác động của các loại visinh vật như các vikhuẩn, nấm mốc, xạ kh Ngoài ra, cũng theo tiêu chuẩn này còn có định nghĩa về các loại polyme có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện ủ: “Polyme có khả năng phân hủy sinh học do ủ là các loại poỉyme có khả năng bị phân hủy do quá trình sinh học khi ủ tạo thành CO2,nước, cá tùy thuộc loại vật liệuvà mức độ có thể không thấy dược, thấy đ có thể để lạicặn b ã ”. Thuật ngữ vật liệusinh học (biomaterial) chỉ những vật trong y-sinh học và có khả năng tương thích sinh học với vật chủ. Một nhóm vật liệu polyme phân hủy sinh học đặc biệt quan trọng là vật liệu sinh học, được ứng dụng đặc biệt trong lĩnh vực y-sinh học. Một vật liệu sinh học còn có thể được định nghĩa như là vật có xu hướng tiếp giáp với các hệ sinh học để loại trừ, xử lý, làm tăng thêm hoặc thay thế các mô, bộ phận hoặc các chức năng của cơ thể [2], Điều kiện đặc biệt tiên quyết đến chất lượng của vật liệu sinh học đó là khả năng tưomg hợp sinh học và khả năng của vật liệu thể hiện đủ nhiều cho một ứng dụng cụ thể. Tín hiệu tương hợp của mô đối với mô ghép phụ thuộc vào vô số các nhân tố, từ các tính chất hoá học, vật lý học và sinh học của vật liệu cho đến hình dạng và cấu trúc của mô ghép. Trong trường hợp của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học, khả năng hoạt động tương hợp phải được chứng minh qua thời gian. Các tính chất hóa học, vật lý, cơ học và sinh học của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học sẽ thay đổi theo thời gian và các sản phẩm của sự phân hủy có thể được tạo ra với các mức độ tương hợp với mô khác nhau so với vật liệu ban đầu. Một số tính chất quan trọng của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học dùng làm vật liệu y-sinh có thể được tóm tắt như sau [3, 4]: • Vật liệu không được gây viêm nhiễm hoặc gây độc đến các mô ghép trong cơ thể; • Vật liệu phải có thời gian sử dụng chấp nhận được; • Thời gian phân huỷ của vật liệu phải phù hợp với quá trình hàn gắn hoặc quá trình tái sinh (như chỉ khâu tự tiêu); • Vật liệu phải có đủ các tính chất cơ học để ứng dụng và có sự thay đôi tính chât cơ học với sự phân huỷ phù hợp với quá trình hàn găn và quá trình tái sinh; • Các sản phẩm phân huỷ không được độc hại, có khả năng chuyển hoá và được loại bỏ khỏi cơ thể; 112
• Vật liệu phải có khả năng dễ gia công đối với ứng dụng định hướng. Một vài tính chất vốn có của vật liệu polyme sinh học có thể ảnh hường đến khả năng tương hợp của chúng, bao gồm: tính chất hoá học của vật liệu, khối lượng phân tử, khả năng hoà tan, hình dạng và cấu trúc của mô ghép, tính ưa nước (hoặc kỵ nước), năng lượng bề mặt, khả năng hấp thụ nước, cơ chế phân huỷ. Những yêu cầu và phạm vi ứng dụng đa dạng của vật liệu polyme sinh học như vậy chỉ có thể có được ở vật liệu sinh học lý tưởng. Điều này nhấn mạnh đến sự cần thiết lựa chọn trong một phạm vi rộng các vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học sẵn có cho việc chế tạo mô ghép, bộ phận hay dụng cụ phù hợp với các yêu cầu cụ thể và độc đáo của mỗi ứng dụng y học riêng biệt. Các nỗ lực hiện tại trong việc tổng hợp polyme có khả năng phân huỷ sinh học đã được tập trung theo từng ứng dụng cụ thể bởi như vậy nó sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với chế tạo vật liệu đa năng. Mặt khác, người ta còn sử dụng vật liệu tổ hợp (polyme blend) để kết hợp các tính năng của các vật liệu thành phần, qua đó làm tăng nhanh số lượng các vật liệu polyme sinh học mới [5]. 3.1.2. Những yếu tố quyết định tới sự phân hủy sinh học polyme Như phần trên đã trình bày, vật liệu polyme có thể bị phân hủy do nhiều nhân tố tác động khác nhau như: các yếu tố sinh học, các yếu tố hóa học và các yếu tố vật lý. Trong phần này chỉ đề cập tới những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy sinh học của polyme. Theo Giáo sư Andreas Lendlein [6] những yếu tố quyết định khả năng phân hủy sinh học đối với vật liệu polyme làm vật liệu y-sinh bao gồm: a) về mặt hóa học: - Thành phần hóa học của vật liệu; - Cấu trúc nối tiếp trong những copolyme; - Sự có mặt của các nhóm chứa ion; - Những khuyết tật trên mạch polyme; - Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử; - Những hợp phần có khối lượng phân từ thấp; - Điều kiện gia công; - Sự tạo hình mẫu; - Quá trình khử trùng. b) về mặt hình thái học: -Tiền sử của polyme (quá trình gia công, bảo quản,...); 113
- Cách thức cấy ghép; - Chất kết dính hoặc hợp chất kết dính; - Sự trao đổi ion, độ mạnh của ion, giá trị pH; - Sự biến đổi hệ số khuếch tán; - Cơ chế thủy phân (H2O, enzym); - ứng suất cơ học; - Các vết nứt tạo thành do thủy phân hoặc ứng suất cơ học. 3.1.3. Cơ chế phân hủy sinh học của vật polyme sinh học Theo Giáo sư A..Lendlein [6], quá trình phân hủy sinh học của polyme làm vật liệu y-sinh theo 3 cơ chế chính (hình 3.1). Nhận thấy rằng, do tác động của các yếu tố sinh học, polymẹ không tan trong nước có thể bị cắt cầu nối không gian để tạo thành mạch phân từ tan trong nước, hoặc biến đổi nhóm chức để chuyển mạch đại phân tử từ dạng không tan trong nước sang dạng hòa tan trong nước và cắt mạch đại phân tử polyme thành các monome,... Như vậy, tất cả các cơ chế này đều tạo ra chất tan trong nước. Tùy theo đặc điểm riêng của vật liệu và điều kiện môi trường mà chúng có thể bị phân hủy tiếp tục thành CƠ2, H20 , . . . 3.1.4. ửng dụng poỉyme phân hủy sinh học Polyme phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu trong 3 lĩnh vực: y-sinh học, nông nghiệp và bao bì, nhiều loại đã trở thành sản phẩm thương mại. Do có tính chuyên dụng và giá thành cao nên polyme phân hủy sinh học được ứng dụng ừong y-sinh học phát triển mạnh hơn ừong các lĩnh vực khác. - ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp Màng mỏng từ polyme đã được ứng dụng ữong nông nghiệp từ những năm 30, 40 của thế kỷ trước để làm màng che, phủ, hom ươm cây,... Màng polỵme có tác dụng giữ hơi ẩm cho đất, nạăn cỏ dại phát ưiển, có tác dụng ổn định nhiệt của đất, vì vậy làm tăng tổc độ phát ưiển của cây trồng. Các polyme làm màng phủ thông dụng là: polyetỹlen tỷ trọng thấp (LDPE), polyvinylcloride (PVC), polybutylen (PB) và copolyme cùa etylen với vinylaxetat,... Tuy nhiên, sau khi hết thời gian sử dụng các polyme này hầu như không bị phân hủy hoàn toàn trong đất gây ra nhiều khó khăn cho môi trường và cho bản thân người trồng trọt. 114
Dạng không tan trong nước - Cơ chế I 1 Đứt kết ngang n giữa các mạch thành «qHpr polyme tan trong nước Dạng tan trong nước - Cơ chế II Dạng không tan trong nước t Sựchuyếnđổi hoặc đút các nhóm gắn vào nĩạch (X) dan tới hình thành các cục hoặc các nhóm (Y) Dạng tan trong nước Y Y Y Y Y Y - Cơ chế -HgSp1— ỈII,mii ^ nii A ¿me* Dạng .không .. tan trong nước Sự đứt các liênkết giữa các monome trong mạch cùa poỉyme Dạng tan trong nước Hình 3.1: ơ chế phần hủy của vật liệu polyme sinh học C Trong những năm gần đây, polyme phân hủy sinh học được định hướng sừ dụng để làm màng che phủ trong nông nghiệp nhờ có khả năng tự phân hủy sau một thời gian nhất định dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và các vi sinh vật trong đất. Màng phân hủy giúp cho thu hoạch thuận lợi, giảm giá thành sản xuất và không gây trở ngại cho vụ mùạ sau. Các màng mỏng polyme có thể bị phân hủy quang và phân hủy 115
sinh học. Để vật liệu có khả năng phân hủy quang, người ta thường đưa vào polyme một số chất phụ gia quang hóa và oxy hóa. Tỷ lệ phối trộn được điều chỉnh sao cho khi cây phát triển thì polyme bắt đầu phân hủy. Màng mỏng phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với polyvinylancol, poly(etylen-co-acrylic axit), polyvinylcloride đã được ứng dụng ở Mỹ. Màng mỏng poly(e-caprolacton) và polyvinylancol bị phân hủy hoàn toàn bởi các vi sinh vật trong đất. Poly(e-caprolacton) đã được ứng dụng làm bầu ươm cây giống. Trong môi trường đất, poly(e- caprolacton) bị phân hủy sinh học, sau 6 tháng tổn hao 48% và sau 1 năm tổn hao tới 95% trọng lượng [7], - ửng dụng làm bao bì, túiđựng hàng hóa Polyme phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu làm bao bì cho ngành công nghiệp thực phẩm. Yêu cầu của bao bì làm từ tổ hợp polyme phân huỷ sinh học là phải đạt được các tính chất gần như của polyme tổng hợp. Polyme thiên nhiên phân hủy sinh học dùng để sản xuất bao bì phổ biến là polysaccarid, bao gồm tinh bột, xenlulô và chitosan [8]. Mức độ phân hủy của màng mỏng phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn giữa polyme tổng họp và polyme thiên nhiên (ví dụ như tinh bột, xenluló...) và bản chất hóa học của từng cấu tử. Tổ họp LDPE với 10% tinh bột ngũ cốc được dùng để sản xuất các túi đựng rác và thực phẩm bằng các công nghệ thông thường. Pullulan là polyme được tổng họp từ các loại nấm, có cấu tạo từ các vòng maltotrise nối với nhau bởi liên kết a-1,6. Đây là polyme tan trong nước, ứng dụng để sản xuất màng bao gói hàr.g hóa mỏng và trong suốt, có thể ăn được và có độ thấm khí thấp. Poly(L-lactic axit) (LPLA) được tổng họp từ phản ứng ngưng tụ Lactic axit, có độ bền kéo đứt 45-Ỉ-70 MPa, độ dãn dài khi đứt 85+105%. Phòng thí nghiệm Argonne National đã tìm ra phương pháp sản xuất glucoza từ tinh bột khoai tây và sau đó lên men glucoza thành Lactic axit với giá thành khá thấp để có thể sản xuất LPLA và sản xuất bao bì phân hủy sinh học với giá cả thích hợp. Bao bì từ LPLA được dùng làm túi đựng rác và tạp phẩm, khăn vệ sinh, bao gói và hộp đựng thức ăn nhanh. Tuy nhiên do giá thành cao nên ít được phổ biến trong thực tế. - ửng dụng trong y -sinh học Như các phần trên đã nói, do những ưu thế nổi trội về tính níng cơ lý và đặc biệt là khả năng tương họp về mặt sinh học với cơ thể, do vậy polyme phân hủy sinh học được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực y-sinh. Năm 2003, việc bán các vật liệu polyme sinh học làm vật liệu y-sinh đã vượt quá 7 tỉ USD, chiếm khoảng gần 88% tổng số vật liéu sinh học trên thị trường trong năm đó [9], Năm 2008, thị trường các vật liệu 116
polyme sinh học đạt mức 11,9 tỉ USD tạo tiền đề cho một thị trường vật liệu polyme sinh học lớn trong những thập kỷ sắp tới. Polyme phân hủy sinh học đã được thử nghiệm làm mô cấy phẫu thuật trong phẫu thuật mạch máu và chỉnh hình, làm vật liệu nền để giải phóng thuốc lâu dài (có thể điều khiển dược) bên trong cơ thể và được xếp vào nhóm vật liệu sinh học. Thuật ngữ vật liệu sinh học chỉ những vật liệu dùng trong y-sinh học và có khả năng tương thích sinh học với vật chủ. Vật liệu sinh học nói chung được sử dụng cho các mục đích sau [5]: + Thaythế các mô bị bệnh hoặc không còn tác dụng, dụ như làm khớp nhân tạo, van tim, động mạch, răng giả,...; + Trợ giúp mô hồi phục, bao gồm chỉ khâu tự tiêu, hồi phục xương gãy, gán, dây chạng, ...; + Thay thế toàn bộ hoặc một phần chức năng của cơ quan chỉnh; + Giải phóng thuốc vào cơ thể. Ngày nay đã có nhiều loại polyme phân hủy sinh học dùng trong y- sinh đã được thương mại hóa và sẵn có trên thị trường như Bondek ™ từ polyglycolid do Hãng Deknatel sản xuất, Maxon™ từ poly(glycolid-co- trimetylen carbonat) do Hãng Davis and Geck sản xuất hay PDS™ từ polydioxanon do Hãng Ethicon sản xuất,...[6, 9], 3.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học trên thế giói và ở Việt Nam 3.2.1. Tinh hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật polynte phân hủy sinh học trên thế giới Do nhu cầu phát triển của kinh tế, xã hội và đặc biệt là vấn đề chăm sóc sức khỏe và bảo vệ môi trường, từ những năm 60 đầu những năm 70 của thế kỷ trước, các nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học nhằm mục đích sản xuất các vật liệu cấy ghép, thay thế các bộ phận trong cơ thể người, các tác nhân mang thuốc,... cho đến các vật dụng thay thế các vật liệu polyme thông dụng trong cuộc sống hàng ngày (như bao bì, túi đựng, màng mỏng che phủ đất, vật dụng khuôn đúc, bầu ươm cây giống,...) nhằm ngăn ngừa ô nhiễm môi trường sống. Các công trình nghiên cứu về polyme phân hủy sinh học được công bố đặc biệt nhiều từ những năm 90 của thế kỷ XX trở lại đây. Vào khoảng những năm 80, trung bình mỗi năm chỉ có từ 20 đến 30 bài báo và từ 7-10 patent, thì từ 117
những năm 90 số bài báo đã tăng lên từ 50 bài (năm 1990) đến 1500 bài (năm 2000) và số patent tăng đến 600. Đến năm 2003 đã có trên 4000 bài báo và hom 2500 patent được công bố [1]. Các công trình nghiên cứu và patent đều xuất phát từ những quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Pháp, Ý, Nhật Bản và một số nước mới phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc,.... Mặt khác, nhu cầu tiêu thụ vật liệu phân huỷ sinh học của thế giới ngày càng tăng, ở Mỹ năm 1992 đã tiêu thụ 547.000 tấn polyme tự huỷ, năm 1997 là 1.193.000 tấn và năm 2005 là trên 3,5 triệu tấn. Tốc độ phát triển lượng polyme tự hủy của châu Âu tăng ở mức khoảng 9%/năm. Năm 2000, tổng sản lượng nhựa có khả năng tự phân hủy ở chầu Âu đạt mức 10 triệu tấn và tăng lên khoảng 15 triệu tấn vào năm 2005. Ở Nhật Bản mức tiêu thụ sản phẩm polyme phân hủy sinh học chiếm khoảng 11% tổng toàn bộ polyme sử dụng. Ở Trung Quốc, năm 2000 người ta sử dụng khoảng 2 triệu tấn, ước tính tăng lên 3,5 triệu tấn vào năm 2008 [1, 5] ■ “ Đặc biệt từ hai thập kỉ cuối của thế kỉ 20 chứng kiến sự biến đổi mô hình từ các vật liệu ổn định sinh học sang các vật liệu sinh học có khả năng phân huỷ sinh học (phân huỷ nhờ thuỷ phân và do enzym) đối với ứng dụng y học và các ứng dụng liên quan khác. Xu hướng hiện tại dự đoán trong một vài năm tới, rất nhiều các thiết bị, bộ phận lắp giả để thay thế (trong cơ thể người) sẽ được thay bởi các bộ phận, dụng cụ có khả năng phân huỷ sinh học, nhờ vậy có thể giúp cơ thể sửa chữa và tái tạo lại các mô đã bị phá huỷ. Có một vài lý do giải thích tại sao vật liệu có khả năng phân hủy sinh học lại được quan tâm, ưa thích hơn so với vật liệu ổn định sinh học cho các ứng dụng y-sinh học. Động lực chính nằm ở khả năng tương hợp lâu dài với các mô ghép tồn tại lâu dài và do vậy không phải mổ đi mổ lại nhiều lần. Mặc dù rất nhiều các ứng dụng y-sinh học của các polyme tự nhiên có khả năng phân huỷ dưới tác dụng enzym như Collagen đã có từ hàng nghìn năm trước, ứng dụng của các polyme tổng hợp có khả năng phân huỷ sinh học chỉ bắt đầu từ nửa cuối của những năm 1960. Tuy nhiên, những thập kỷ qua đã chứng kiến sự phát triển của polyme tổng hợp mới, có khả năng phân huỷ sinh học và các polyme tự nhiên tương tự đã được phát triển một cách cụ thể đối với các ứng dụng y-sinh học. Một phần động lực của sự phát triển này là do sự nổi lên của các công nghệ y-sinh học mới, bao gồm: kỹ thuật mô, thuốc có khả năng tái sinh, liệu pháp 118
gen, sự vận chuyển thuốc có kiểm soát và công nghệ sinh học nano, tất cả đều đòi hỏi vật liệu nền có khả năng phân huỷ sinh học để tạo ra chúng. Sự tiến triển chậm của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học có thể được quy do một vài khó khăn riêng trong việc nâng cao lợi nhuận từ các vật liệu này khó hơn so với các polyme thương mại khác. Các vật liệu polyme có khả năng phân huỷ sinh học đang được nghiên cứu để phát triển chế tạo các dụng cụ, thiết bị giả để thay thế các bộ phận, cấu trúc xốp 3 chiều làm những giá đỡ cho mô và tác nhân vận chuyển thuốc có khả năng kiểm soát được. Một vài ứng dụng y-sinh học hiện tại của các vật liệu polyme có khả năng phân huỷ sinh học bao gồm: các mô lớn như các vít xương,...; các mô ghép nhỏ như ghim, chỉ khâu; tá dược lỏng có khả năng vận chuyển thuốc có kích cỡ nano hoặc micro, màng trơn để tái sinh mô và mạng lưới đa sợi hay cấu trúc xốp cho kỹ thuật mô [10]. Các phương thức kỹ thuật mô sử dụng kết cấu có khả năng phân huỷ sinh học để lắp ráp các tế bào, phát triển các mô chức năng. Vật liệu polyme với một phạm vi rộng các tính chất cơ học và khả năng phân huỷ là cần thiết để có thể bắt chước các tính chất của các mô khác nhau. Trong sự vận chuyển thuốc có kiểm soát, các tác nhân độc hại sinh học được giữ trong nền polyme có khả năng phân huỷ sinh học mà ở đó sự ăn mòn, phân tán hoặc kết hợp cả hai là có thể kiểm soát được. Sự giải phóng các đặc tính của các tác nhân gây độc có thể được điều chỉnh một cách hiệu quả bàng cách điều chỉnh hợp lý các thông số nền. Do tính đa năng và ưu việt của các vật liệu polyme nói chung và polyme sinh học nói riêng, nên chúng nhanh chóng thay thế các loại vật liệu khác như kim loại, hợp kim, gốm sứ trong việc sử dụng trong y-sinh học. Năm 2003, việc bán các vật liệu polyme sinh học đã vượt quá 7 tỉ USD, chiếm khoảng gần 88% tổng số vật liệu sinh học trên thị trường trong năm đó [11]. Vào năm 2008, thị trường các vật liệu polyme sinh học đạt mức 11,9 tỉ USD tạo một thị trường vật liệu polyme sinh học lớn cho những thập kỷ tới. Trong những năm qua, ngoài việc tiếp tục nghiên cứu các polyme tự nhiên phân hủy sinh học, trên thế giới tập trung nghiên cứu, ứng dụng vào các loại polyme tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học theo các hướng sau [12]: - Polyme phân huy'sinh học trên cơ sờ các poly(a-esters) như PLA, PGA, PLGA,...; - Các Polyalkylen este; 119
- Polyamid este; - Polyvinyl este; - Polyvinyl alcohol; - Polyanhydride. - Polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở trộn họp nhựa nhiệt dẻo với tinh bột. Trong đó, hướng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân huỷ sinh học trên cơ sở PLA, PGA cùng với sản phẩm đồng trùng ngưng (PLGA) của chúng được tập trung nghiên cứu nhiều nhất bởi vì những vật liệu này có khả năng ứng dụng rộng rãi và nhu cầu sừ dụng của sản phẩm từ PLA, PGA, PLGA. Ngoài những vật dụng thường dùng trong đời sống như bao bì, túi đựng các loại, các đồ dùng (ca, cốc, khay, hộp đựng,...) chỉ dùng một lần, người ta còn sử dụng PLA, PGA, đặc biệt sản phẩm đồng trùng ngưng PLGA để tạo ra hàng loạt các sản phẩm được ứng dụng trong y tế (chỉ khâu y tế, chất gắn xương, cấy ghép mô, chất giải phóng thuốc, các dụng cụ sử dụng một lần,...). Bên cạnh đó, các sản phâm chế từ PLA, PGA và PLGA rất dễ phân huỷ trong môi trường trong khoảng thời gian từ 2 đến 24 tháng, phân huỷ đến phân tử thấp là các monome, khí carbonic và nước. Những chất này hoàn toàn thân thiện với môi trường. Mặt khác nguyên liệu tạo ra chúng (đặc biệt là PLA) có nguồn gốc từ thiên nhiên như các loại tinh bột, lúa mì, lúa mạch, đường,... Sau quá trình lên men tạo ra Lactic axit, từ đó thông qua con đường dime hoá và trùng hợp tạo thành PLA. Quá trình phân huỷ của PLA tạo ra các sản phẩm trở lại với thiên nhiên. Như vậy là một quy trình từ thiên nhiên tạo ra sản phẩm và từ sản phẩm quay trở lại thiên nhiên. Quy trình trên rất có ý nglrĩa về mặt khoa học và môi trường. Những nghiên cứu để phát triển, ứng dụng polyme tổng hợp phân hủy sinh học ngày nay không chi tập trung tổng họp các polyme, copolyme mới có khả năng phân hủy sinh học mà trong những năm gân đây người ta còn tập trung vào chế tạo những vật liệu polyme blend, polyme nanocompozit có khả năng phân tủy sinh học trên cơ sở các vật liệu polyme phân hủy sinh học truyền thống như PGA, PLA, PLGA,... [5], do vậy đã mờ ra những khả năng ứng dụng rộng rãi trong y-sinh- dược học của vật liệu này. Để nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp hóa học và vật lý khác nhau đặc biệt là các phương pháp sắc ký thấm qua gel, phương pháp phổ hông ngoại biến đổi Fourier, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 'H-NMR và 13C- 120
NMR, phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA), phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua,... Hiện nay, đã có rất nhiều sản phẩm thương mại của PLA, PGA và PLGA cũng như các polyme tổng họp phân hủy sinh học khác đã được thương mại hóa như: Nature networkR, VicrylR, DexonR, MaxonR, BondekR, BiofixR, ZoladexR, Eco-plaR, LaceaR,... Song những nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục được phát triển mạnh mẽ. 3.2.2. Tinhhình nghiên cứu, chếtạo và úng d sinh học ở Việt Nam Như phần trên đã trình bày, hướng nghiên cứu phát triển vật liệu polyme phân hủy sinh học (so với các vật liệu khác) là hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ trên thế giới. Song trong những năm qua ở nước ta đã có một số cơ sở như Trung tâm Nghiên cứu vật liệu Polyme (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội), Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam, Viện Hoá học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và mới gần đây nhất là Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Phát triển bền vững - Trường Đại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội,... đã tiến hành nghiên cứu về “polyme phân huỷ sinh học”. Những nghiên cứu đầu tiên theo hướng này đã được thực hiện trước hết tập trung vào vật liệu biến tính polyetylen bàng tinh bột với các phụ gia tương họp chủ yếu từ polyetylen maleic hóa và các phụ gia khác của các nhóm tác giả Phạm Ngọc Lân, Đỗ Trường Thiện,... đã được công bố. Những kết quả trên bước đầu được triển khai ứng dụng vào thực tế là sản xuất các loại màng phủ, bầu ươm cây phục vụ cho lĩnh vực nông, lâm nghiệp đã mang lại kết quả khả quan. Đáng chú ý trong hướng nghiên cứu này là nhóm nghiên cứu do PGS. TS. Phạm Thế Trinh (Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam) chủ trì, đã bắt đầu nghiên cứu vật liệu tự hủy từ khoảng trước những năm 2000. Giai đoạn 2001-2003, nhóm tác giả nàỵ đã thực hiện thành công đề tài cấp Nhà nước (mã số KC.02.09), đã chê tạo màng mỏng tự hủy trên cơ sở LDPE với tinh bột sắn, có sự tham gia của các chất trợ phân tán, trợ tương họp, các loại phụ gia quang hóa, oxy hóa, phụ gia phân hủy,... Những kết quả nghiên cứu không chỉ đăng tải trong một số công trình trên các tạp chí và trong các hội nghị khoa học chuyên ngành mà còn chế tạo ra các loại màng tự phân hủy và triển khai ứng dụng thử để trồng Lạc, trồng ngô tại Nông trường Thanh Hà và trồng bông tại một số địa phương ở Ninh Thuận bước đầu cho kết quả tốt. Hiện tại công nghệ đang được chào bán rộng rãi. 121
Từ khoảng năm 2005 trở lại đây, bên cạnh việc tiếp tục hoàn thiện, triển khai ứng dụng các kết quả nghiên cứu về vật liệu phân hủy sinh học trên cơ sở blend tinh bột với PE, một số tác giả đã tập trung nghiên cứu chế tạo các loại polyme phân hủy sinh học trên cơ sở lactic (từ các sản phẩm nông nghiệp Việt Nam) để tạo ra polylactic. Trong số đó cỏ nhóm tác giả Tran Đình Mần, Phạm Hữu Ly (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu sản xuất bao bì dễ phân hủy sinh học từ polylactic trên cơ sở nguồn Lactic axit tạo ra bằng phương pháp lên men vi sinh vật”. Kết quả đề tài, các tác giả đã chọn ra được 2 chủng vi khuẩn Lactococcus lactis subsp. lactis HN11 Lactobacillus delbrueckii subsp. delburueckii HN34 có khả năng sinh trưởng trong môi trường nước rau cải, bắp cải, nước giá, nước cà chua. Các loại khuẩn này sử dụng tổng hợp lactic axit bằng lên men trong môi trường gồm glucoza, cao thịt và cao nấm men đạt hiệu suất chuyển hóa gần 85%. Trên cơ sở Lactic axit tổng họp được, các tác giả đã tổng họp ra polylactic (PLA) theo quy trình 2 bước là tạo oligome (O-PLA) không dùng xúc tác. Tiếp đó dùng xúc tác SnCỈ2 và SnO để chuyển O-PLA thành L-Lactide rồi dùng xúc tác SnO để chuyển L-Lactide thành PLA có khối lượng phân tử trung bình từ 40.000-70.000. Từ PLA thu được, các tác giả đã tạo blend PLA/chitosan với tỷ lệ khác nhau và tạo ra màng vật liệu này có khả năng phân hủy tới 60% sau khi chôn lấp 3 tháng [13]. Những kết quả nghiên cửu được các tác giả công bố trong một số công trình trên tạp chí và trong các hội nghị khoa học chuyên ngành trong nước và quốc tế. Cũng theo hướng nghiên cứu về polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polylactic, tác giả Phạm Ngọc Lân và các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo tính chất của blend trên cơ sở polylactic với tinh bột và thấy rằng: ở tỷ lệ 80/20 vật liệu có tính chất tốt nhất, có khả năng phân hủy nhanh trong môi trường đất trồng trọt, song tính năng cơ lý còn thấp. Bên cạnh đó, theo thông tin chúng tôi được biết thì hiện tại nhóm nghiên cứu do TS. Lê Văn Chiêu (Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Phát triển bền vững - Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN) chủ trì nghiên cứu chế tạo polyme có khả năng phân hủy sinh học trên cơ sở axit L-lactic hoặc nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Hồ Sơn Lâm (Phân Viện khoa học Vật liệu tại Thành phố Hồ Chí Minh - thuộc Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) cũng đang có những nghiên cứu theo hướng này. Gần đây nhất, nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Phạm Thế Trinh, PGS. TS. Đỗ Quang Kháng, TS. Phùng Hà đã nghiên cứu ra quy trình công nghệ chế tạo polyme phân hủy sinh học trên cơ sở polylactic axit (PLA), polyglycolic axit (PGA) và các sản phẩm đồng trùng họp của chủng. Vật liệu này bước đầu đáp ứng yêu câu 122
chế tạo ra các loại chỉ tự tiêu cho y học [5]. Như vậy có thể thấy, những kết quả nghiên cứu trong nước mới chỉ tập trung vào hai loại vật liệu là polyme phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với nhựa nhiệt dẻo (đã có những kết quả ứng dụng bước đầu) còn các nghiên cứu khác mới chỉ là sơ khai và tập trung vào một đối tượng là chế tạo PLA từ nguồn Lactic axit thu được bàng lên men vi sinh vật. PGA và copolyme của lactic và glycolic axit (PLGA). Song ở vật liệu này cũng chưa có những nghiên cứu sâu về cơ chế phân hủy cũng như khả năng ứng dụng đa dạng của nó. Những nghiên cứu với các vật liệu có khả năng phân hủy sinh học khác chưa thấy được đề cập tới. Từ các nội dung trên cho thấy rằng, lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng vật liệu polyme phân hủy sinh học và polyme sinh học vô cùng lý thú, có ý nghĩa khoa học, hiệu quả kinh tế, xã hội và nhân văn cao. Nó không chỉ có ý nghĩa về bảo vệ môi trường mà còn đóng vai trò quan trọng để chăm sóc, bảo vệ sức khỏe, kéo dài tuổi thọ cho con người, về lĩnh vực này, mặc dù mới chỉ phát triển từ khoảng trên ba chục năm trở lại đây song đã thu được nhiều thành tựu rực rỡ, đặc biệt những ứng dụng trong y - sinh - dược học. Trong khi đó ở nước ta tất cả mới chỉ là bước đầu, mặc dù đội ngũ nghiên cứu của chúng ta trong lĩnh vực này cũng khá mạnh. Bên cạnh đó, các phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng trong nghiên cứu phát triển và ứng dụng polyme phân hủy sinh học (mà thế giới sử dụng) hiện tại đã được trang bị tại nhiều cơ quan nghiên cứu và giảng dạy ở Việt Nam. Đây là cơ sở để chúng ta có thể tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu còn rất rộng mở này. Như phần trên đã nêu, hiện nay các polyme có khả năng phân huỷ sinh học được ứng dụng trong y-sinh học rất đa dạng, bao gồm các mô ghép (rong suốt, chất vận chuyển thuốc và các giá đỡ mô. Đe làm rõ quá trình ịihân hủy sinh học của chúng, người ta đã phân loại một cách phô biến thành các polyme có khả năng phân huỷ do thủy phân và do enzym hoá, nhấn mạnh đến dạng phân hủy tương ứng của polyme. 3.3. Polyme sinh học có khả năng phân hủy thủy phân 3.3.1. Poly a-este 3.3.1.1. Giới thiệu chung vềpoỉyme phân hủy sinh học trên axit, glycolic axit và copolyme của chúng Nghiên cứu nửa đàu thế kỉ 20 với polyme tổng họp được từ glycolic 123
axit và a- hydroxy axit khác "bị cẩm" phát triển bởi vì các vật liệu này quá không ổn định theo thời gian, do vậy không thích hợp với các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, tính rất không ổn định do khả năng có thể phân hủy sinh học lại là tính chất vô cùng quan trọng cho những ứng dụng y-sinh học đã được chứng minh trong 3 thập kỳ qua. Polyme được điều chế từ glycolic axit và lactic axit có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp mà đặc biệt là trong y dược, bắt đầu với các chỉ khâu có khả năng tự tiêu được chấp nhận lần đầu vào những năm 1960. Kể từ đó, có rất nhiều các ứng dụng trong y học dựa trên lactic và glycolic axit cũng như các vật liệu khác, bao gồm poly (dioxanon), poly (trimetylen carbonat) copolyme và poly (e-caprolacton) homopolyme và copolyme đã được chấp nhận để làm các bộ phận, dụng cụ thay thế trong cơ thể người cũng như tác nhân mang thuốc. Polyglycolide có thể được xem như là một ưong số những polyme tổng hợp có khả năng phân huỷ sinh học được nghiên cứu cho các ứng dụng y- sinh học đầu tiên. Polyglycolide là polyme có độ tinh thể cao (45-55 % tinh thể) và do đó có modul đàn hồi cao với khả năng tan trong dung môi hữu cơ rất thấp. Nhiệt độ thuỷ tinh hoá của polyme từ 35°c đến 40°c và nhiệt độ nóng chảy lớn hơn 200°c. Do có khả năng tạo sợi rất tốt, polyglycolide lần đầu được nghiên cứu để tạo các chỉ khâu có khả năng tự tiêu dùng trong y học với sản phẩm thương mại là DEXON được chấp nhận bởi Cục quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) vào năm 1969. Tiếp theo người ta sản xuất vải không dệt làm giá đỡ nền cho tái sinh mô, thay thế da cũng như các bộ phận cấy ghép trong cơ thể người khác. Ngày nay, mặc dù đã có nhiều sản phẩm dùng cho y-sinh và dược trên cơ sở PGA đã được thương mại hóa, song việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu này vẫn đang tiếp tục’ triển khai mạnh mẽ trên thế giới. Ngay sau khi những nghiên cứu về PGA được chấp nhận ứng dụng, người ta tiếp tục triển khai nghiên cứu ứng dụng PGA và vì vậy năm 1971 chỉ khâu tự tiêu tính năng cao từ vật liệu này được chấp nhận đưa vào ứng dụng. Song do có sự khác biệt với glycolide, lactide là một phân tử tồn tại trong 2 dạng hoạt động quang học; L-lactide và D-lactide. Sự trùng hợp của các monome này dẫn đến sự hình thành của polyme bán tinh thể. Tuy nhiên, sự trùng hợp của racemic (triệt quang) (D,L)-lactide và mesolactide dẫn đến sự hình thành các polyme vô định hình. Trong số các monome này, L-lactide là isome tự nhiên. Tương tự với polyglycolide, poly L-lactide (PLLA) cũng là một polyme tinh thể (-37% 124
tinh thể) và mức độ kết tinh phụ thuộc vào khối lượng phân tử và các thông số gia công polyme. Vật liệu này có nhiệt độ thuỷ tinh hoá khoảng 60-65°C và có nhiệt độ chảy xấp xỉ 175°c. Poly(L-lactide) là polyme phân huỷ chậm so với polyglycolide, có độ bền kéo đứt tốt, độ kéo giãn thấp và modul đàn hồi cao (xấp xỉ 4,8 GPa) và do vậy, được coi như là vật liệu sinh học lý tưởng cho các ứng dụng như làm các bộ phận, dụng cụ cấy ghép cố định trong phẫu thuật chỉnh hình. Đe hạn chế những nhược điểm và phát huy ưu điểm của PLA và PGA cũng như điều chỉnh các tính năng cơ, lý và phân hủy phù hợp cho những ứng dụng cụ thể khác nhau, người ta đã nghiên cứu chế tạo copolyme trên cơ sở glycolic axit và lactic axit. Trong số các copolyeste đã được phát hiện, poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) được nghiên cứu phát triển và ứng dụng nhiều nhất. Cả L- và D,L-lactide đã được sử dụng trong đồng trùng hợp. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong khoảng thành phần từ 25-75%, poly(L-lactide-co-glycolide) hình thành các polyme vô định hình. Miller và các cộng sự đã cho thấy PLGA với tỷ lệ 50/50 rất không ổn định thuỷ phân và sự kháng lại phân huỷ thuỷ phân được thấy rất rõ ràng ờ giải thành phần cuối cùng của copolyme. Các copolyme trung gian không ổn định bằng các homopolyme. Do đó, PLGA (50/50) phân huỷ trong vòng 1-2 tháng, PLGA (75/25) phân hủy trong 4-5 tháng và PLGA (85/15) phân hủy trong vòng 5-6 tháng. Chính vì vậy nó là lợi thế để nghiên cứu, phát triển trên một phạm vi rộng cho các ứng dụng y-sinh học của vật liệu này. Ngày nay mặc dù đã có nhiều sản phẩm trên cơ sở PLA, PGA và PLGA ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mà đặc biệt là trong y-sinh học, song các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện và nâng cao hiệu quả ứng dụng của các vật liệu trên cơ sờ lactic và glycolic axit. 3.3. 1.2Phương pháp chung tổng hợp các polyme phân hủy sinh học trên cơ sở các a-este Poly a-este nói chung có thể được tổng hợp bằng cách trùng ngưng các monpme đa chức như sự tự trùng ngưng của các hydroxy axit, diaxit với các diol, diaxit cloride với diol hoặc với phản ứng trao đổi este của dieste và diol. Tuy nhiên, bằng cách này rất khó đạt được polyme khối 125
lượng phân tử cao, do vậy người ta ít dùng cách này để tổng hợp chúng cho mục đích làm vật liệu sinh học. Đe tổng họp các polyme có khối lượng phân tử cao của nhóm vật liệu này, người ta thường dùng phương pháp trùng hợp mở vòng (ROP) của lacton vòng. Vói phương pháp này có thể tổng hợp các loại homo- và co- poly este khối lượng phân tử cao. Ưu điểm của phương pháp ROP là: điều kiện phản ứng ôn hoà, thời gian phản ứng ngắn, không có sản phẩm phụ và có thể sử dụng 6 hoặc 7 lacton thành phần. Trong suốt quá trình ROP, thông qua việc quan sát sự biến đổi các phân tử khởi đầu cụ thể là nhóm hydroxyl nằm trong các phân tử, có thể kiểm soát khối lượng phân tử của polyme. Tốc độ trùng hợp có thể kiểm soát bởi sự ứng dụng hệ các chất xúc tác tương hợp sinh học như: octoat thiếc và 2-etylhexanoic axit. Để cải thiện hơn khả năng tương hợp, một vài cách trùng hợp ít dung môi hơn đã được phát triển. Các monome được nghiên cứu rộng rãi nhất để tổng họp polyeste béo đối với các ứng dụng trong y-sinh học là lactide, glycolide và caprolacton. Ngoài các lacton vòng, các anhydrid vòng cũng có thể thông qua ROP để tạo ra các polyeste. Sự trùng hợp để tạo polyeste cũng có thể thực hiện dưới tác động của enzym hoặc của các vi khuẩn, ban đầu chưa hẳn là phương pháp tốt để phát triển các polyeste. Dưới đây là một số biện pháp trùng hợp mở vòng lacton. Để sản xuất các polylacton và polylactide đồng nhất có khối lượng phân tử cao, con đường tốt nhất là polyme hóa mở vòng của các este vòng tương ứng. Một polyeste được hình thành khi các este vòng phản ứng với một chất xúc tác hoặc một chất khơi mào. Hình 3.2 giới thiệu nguyên lý polyme hóa mở vòng của các este vòng. o o n + M— O R ' — - > rrmome châí khti rnồo/xúc tác poỉyrre Hình 3.2:Phản ứng polyme hóa mở vòng của các este vòng (R là (CH2)o-3 hoặc CHR") 126
Mỗi một phân từ hình thành khi kết thúc phản ứng nhìn chung có chứa một mắt xích cuối mạnh với một nhóm chức của chất khơi mào. Bởi sự biến đổi của chất xúc tác hoặc chất khơi, mào sau khi kết thúc phản ứng, các nhóm này có thể biến đổi đa dạng, phù hợp với sự ứng dụng của polyme. Các loại chất khơi mào và nhóm chức cuối mạch đóng một vai trò quan trọng cả về tính ổn định nhiệt và khả năng thủy phân của polyme hình thành. Sử dụng các nhóm chức qua phản ứng polyme hóa cũng là cách thức thay đổi cấu trúc của polyme. Phản ứng mở vòng có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau như: polyme hóa trong khối, trong dung dịch, nhũ tương hay huyền phù. Một chất xúc tác hay chất khơi mào là cần thiết để phản ứng polyme hóa xảy ra. Dưới các điều kiện nhất định polyeste no khối lượng phân tử lớn và độ phân tán nhỏ có thể được điều chế trong khoảng thời gian ngắn. Các vấn đề nảy sinh trong quá trình trùng ngưng hoặc polyme hóa như sự cần thiết chính xác về lượng chất phản ứng, nhiệt độ phản ứng, việc loại bỏ các sản phẩm phụ (ví dụ nước) làm cản trở phản ứng polyme hóa mờ vòng cần được chú ý. Phụ thuộc vào chất khơi mào, quá trình polyme hóa sẽ tiến triển theo một trong ba loại cơ chế phản ứng chính là csitionic, anionic, liên kết tạo phức. Ngoài ra gốc tự do, ion lưỡng tính hay hydro hoạt động cũng có thể được sử dụng làm chất khơi mào nhưng công nghệ này không được sử dụng rộng rãi. - Polyme hóamở vòngcationic Các este vòng 4,6 và 7 hình thành nên polyeste khi phản ứng với các chất xúc tác cationic. Phản ứng polyme hòa mở vòng bao gồm sự hình thành nên một dạng điện tích rõ ràng rồi 'sau đó tấn công vào monome (xem hình 3.3). Sự tấn công của điện tích dẫn tới quá trình mở vòng thông qua cơ chế Sn2. Hình 3.3:C ơ chế phản ứng polyme hóa mở vòng của cationic Phản ứng polyme hóa cationic rấÍL khó điều khiển và thường thì chỉ có các polyme phân từ khối thấp được hình thành. Khi tiến hành nghiên cứu polyme hóa trong khối và trong dung dịch của l,5-dioxepan-2-one 127
(DXO) với chất khơi mào cationic thu được polyme có khối lượng phân tử cao nhất cỡ khoảng 10.000 g/mol. - Polyme hóamở vònganionic Polyme hóa mở vòng anionic của các monome este vòng được thực hiện bởi một điện tích âm khơi mào tấn công vào vị trí carbon của nhóm carbonyl hay vào vị trí của nguyên tử carbon bên cạnh nhóm axyl-oxi qua cơ chế nucleophin và hình thành nên các polyeste mạch thẳng (xem hình 3.4). Dạng sản phẩm trung gian mang một điện tích âm và đối lập cân bằng với một điện tích ion. Phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của chuỗi sản phẩm ionic trung gian cuối mạch và dung môi, hỗn hợp phản ứng biến đổi hoàn toàn từ ionic tới hầu hết hóa trị. Đây là phương pháp tốt nhất để có thể tổng hợp polyme khối lượng phân tử cao, phản ứng polyme hóa được thực hiện trong một dung môi phân cực. Jedlinski và cộng sự đã phát triển anionic sống cho phương pháp polyme hóa mở vòng của các lacton vòng 4 và 5 và thu được các polyme và copolyme khối lượng phân tử cao như mong muon. Anionic mở vòng lacton 4 bàng cách phân tách liên kết alkyl-oxi hoặc liên kết axyl-oxi để hình thành nên carboxylat hay alkoxide. Các lacton vòng lớn hơn, như £- caprolacton hay lactide phản ứng duy nhất bởi sự tấn công của anionic vào nguyên tử carbon của nhóm carbonyl với sự phân tách liên kết axyl- oxi và hình thành nên một alkoxide để phát triển mạch. Một vấn đề kết hợp với phản ứng polyme hóa mở anionic là sự mở rộng phản ứng depolyme hóa và ừong một số trường hợp duy nhất ta chỉ thu được polyeste có khối lượng phân tử thấp. o Hình 3.4: Cơ chế phản ứng polyme hóa mở vòng với chất khơi mào anionic (1 sự phân tách ở liên kết axyl-oxi, 2 sự phân tách ở liên kết alkyl-oxi) - Polyme hóa mở vòng theo liênkết tạo phức Polyme hóa mở vòng theo kiểu liên kết tạo phức không giống như polyme hóa mở vòng anionic, bởi vì sản phẩm trung gian của phản ứng là 128
sự xâm nhập của monome vào trung tâm hoạt động rồi sau đó mono me được chèn thêm vào liên kết giữa kim loại -oxi thông qua sự sắp xếp lại của các electron. Hình 3.5 mô tà cơ chế của sự tạo phức. Sự phát triển mạch chính là sự tấn công của ion kim loại thông qua liên kết alkoxide để hình thành nên sản phẩm trung gian trong suốt quá trình phát triển. Phản ứng được kết thúc bởi sự hình thành nên một nhóm hydroxyl cuối mạch. Với chức năng của chất khơi mào alkoxy thay thế, các phân tử với nhóm chức hoạt động cuối mạch sau đó qua các phản ứng polyme hóa mở vòng để hình thành sản phẩm. Phản ứng polyme hóa mờ vòng theo kiểu liên kết tạo phức đã được tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng từ khi người ta tiến hành nghiên cứu tổng hợp polyeste với hiệu suất cao và đã được hoàn toàn xác định. Khi hai monome với khả năng phản ứng tương tự được sử dụng thì copolyme khối được hình thành bằng cách liên tục cộng hợp vào mạch hệ thống. \ V k rÃ - k \ ° > -< *♦ ------' - M O - I ----- * /M -C ^ K -N -O R Hình 3.5: ơ chế phản ứng polyme hóa mở vòng theo kiểu liên kết tạo phức C 3.3. 1.3Phương pháp tổng hợp polylactic axil Đe tổhg hợp polylactic axit (polylactide - PLA) có 5 phương pháp khác nhau là: trùng ngưng trực tiếp lactic axit trong dung dịch, polyme hóa mờ vòng (Ring opening polymerization, ROP), trùng ngưng ở trạng thái rắn, trùng ngưng lactic axit thành polyme khối lượng phân tử thấp sau đó sử dụng các tác nhân kéo dài mạch thông qua phản ứng đa tụ để thu được polyme khối lượng phân tử cao và trùng ngưng đẳng phí. - Tổng hợp poly lactixit theo phương pháp trùng ngưng trực tiếp từ lactic axit trong dung dịch Nghiên cứu tổng họp polylactic axit trực tiếp trong dung dịch đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là các nhà khoa học Nhật Bản và được biết đến từ năm 1994. Sự tồn tại cả hai nhóm chức hydroxyl và carboxylic trong phân tử lactic axit cho phép chuyển trực 129
tiếp thành polyeste thông qua phản ứng đa tụ. Tuy nhiên quá trình ngưng tụ thông thường để polyme hóa lactic axit không làm tăng phân từ lượng một cách đủ lớn trừ khi ta dùng một dung môi hữu cơ để tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ngưng tụ và thời gian tiến hành phản ứng polyme hóa rất dài. Sản phẩm phản ứng đa tụ của lactic axit là polyme khối lượng phân từ thấp ở dạng thủy tinh, giòn và khả năng ứng dụng rất hạn chế. Theo phương pháp này, lactic axit được tiến hành ngưng tụ trực tiếp trong dung dịch, sử dụng các chất xúc tác este hóa như các axit Lewis, các họp chất của thiếc, của kẽm,.... Trong quá trình phản ứng các sản phẩm phụ cần phải được tách loại ra liên tục để phản ứng xúc tiến nhanh và sớm đạt đến trạng thái cân bằng. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ bao gồm dung môi, nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ xúc tác và các cấu từ tham gia phản ứng. Để tổng họp polylactic có khối lượng phân từ cao, sau khi tạo ra sản phẩm khối lượng phân tử thấp người ta tiếp tục dùng tác nhân kết hợp mạch (kéo dài mạch) hoặc trùng hợp tiếp ở trạng thái rắn (sẽ giới thiệu ở các mục sau). - Tổnghợp polylactic axit theo phương pháp poỉyme hóa mở vòng lactide Tổng hợp PLA bàng phương pháp mở vòng lactide được Carother đặt nền móng từ 1932 phải đi qua hợp chất trung gian là lactide. Do đặc điểm cấu trúc LA, phản ứng điều chế lactide xảy ra rất dễ dàng. Trong quá trình trùng ngưng các Lactic axit được polyme hoá tạo PLA dạng oligome (thấp phân từ). Từ oligome PLA tiếp theo cần xúc tác phá huỷ cấu trúc polyme (phản ứng back-bitting) tạo lactide. Trong giai đoạn hai sử dụng xúc tác mở vòng lactide rồi polyme hoá nên gọi là polyme hoá mở vòng. Phản ứng ROP có thể được thực hiện trong dung dịch, nóng chảy, hoặc huyền phù. Tùy vào thệ xúc tác, khơi mào, đồng khơi mào mà phản ứng polyme hoá mờ vòng có thể theo cơ chế: kết hợp, ghép, tạo phức, anion, cation, ion lưỡng tính hoặc cơ chế gốc tự do. Polyme hóa mở vòng là phương pháp phổ biến nhất hiện nay và công nghệ này hiện tại đang được hãng CagillDow (Mỹ) áp dụng. Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào nguyên liệu lactide ban đầu là L-lactide, D- lactide hay D,L-lactide, từ đó ta có thể có các sản phẩm từ dạng vô định hình tới (một phần) tinh thể rồi tinh thể (gần) toàn phần, điều này sẽ quyết định các tính chất của sản phẩm PLA tạo thành cũng như khả năng ứng dụng của chúng. Các loại xúc tác như thiếc octoat, kẽm lactat, nhôm tri-isopropoxide, Lanthanide alkoxides,... đã được sử dụng cho quá trình 130