POLYMER GEL: SỰ GEL HÓA VÀ ỨNG DỤNG (Phần 1)

POLYMER GEL: SỰ GEL HÓA VÀ ỨNG DỤNG (Phần 1)

Polymer gel có bản chất là hợp chất cao phân tử hình thành từ các tiểu đơn vị monomer liên kết bắt chéo (cross linked) và có khả năng trương nở trong dung môi. Đặc tính trương nở và sự chuyển dịch giữa 2 trạng thái sol – gel của hệ polymer chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như pH, nhiệt độ và hàm lượng ion trong dung môi từ lâu đã được các nhà nghiên cứu quan tâm và ứng dụng trong các phát kiến ngành kĩ thuật và y tế.

SỰ HÌNH THÀNH GEL

Các loại gel thực tế được phân loại theo độ mạnh yếu của liên kết chéo (cross linked) nội ngoại phân tử polymer. Liên kết chèo thông thường được phân làm 2 loại: Hóa học và vật lý. Liên kết hóa học thường là liên kết cộng hóa trị trong khi liên kết vật lý thường là liên kết hydrogen và ionic, hoặc đơn giản là sự rối vướn vào nhau của các sợi polymer. Trong đó: sự polymer hóa liên kết chéo gốc tự do (FCC) là phương pháp phổ biến nhất trong việc hình thành gel.

Quá trình tạo thành gel polymer được phân thành 3 giai đoạn chính: giai đoạn biến đổi chậm, giai đoạn gel hóa và giai đoạn chuyển kính. Giai đoạn biến đổi chậm là giai đoạn hình thành sợi polymer cơ bản sử dụng monomer và chất kích hoạt phản ứng (initiator). Trên lý thuyết, sự suy giảm về nồng độ hoạt chất phản ứng sẽ dẫn đến việc suy giảm về tốc độ polymer. Tuy nhiên, vào giai đoạn 2 (giai đoạn gel hóa), tốc độ phản ứng sẽ tăng dần với lượng phản ứng đã diễn ra (Hiệu ứng Trommsdorf Norrish); dẫn đến việc tăng cường polymer hóa các điện tử tự do và tăng độ nhớt của hệ phản ứng. Giai đoạn hóa kính diễn ra khi nhiệt độ của hệ thấp hơn nhiệt độ hóa kính của polymer, giúp tạo thành cấu trúc polymer bền chắc. 

Hình 1. Chuyển dịch giữa 2 trạng thái sol – gel

Đối với gel vật lý, gel có thể chịu sự nóng lên của hệ ở giai đoạn này sẽ khiến polymer được tạo thành có cấu trúc mềm dẻo, gọi là gel yếu (weak gel). Quá trình gel hóa khi làm lạnh hệ được gọi là sự chuyển dịch sol – gel, ngược lại khi làm nóng hệ, sự gel hóa ngược sẽ diễn ra được gọi là sự chuyển dịch gel – sol. Sự chuyển dịch gel – sol còn chịu sự ảnh hưởng cuả thành phần dung môi, sự thay đổi pH, thành phần ion và ảnh hưởng của điện từ.

Liên kết vật lý mạnh là liên kết vật lý giữa các sợi polymer với nhau, trong khi đó liên kết vật lý yếu là việc hình thành liên kết “đảo nghịch được”. Ngược lại, gel hóa học liên quan đến sự hình thành liên kết cộng hóa trị, nên kết quả dẫn đến việc luôn tạo thạnh gel mạnh.

Hình 2. Các liên kết hình thành nên gel polymer

CƠ CHẾ TẠO GEL VẬT LÝ

Sự gia nhiệt hoặc làm lạnh polymer:

Một ví dụ điển hình của nhóm gel vật lý từ tự nhiên là carrageenan sản xuất từ algae đỏ, có thể thay đổi trạng thái gel theo nhiệt độ và sự có mặt của chất hóa gel: ion K+. Sự tham gia của ion K+ giúp tăng độ bền gel (gel strength) và độ dẻo (elastic modulus) của gel k-carrageenan theo cơ chế conformation ordering (được hiểu đơn giản là sự sắp xếp các phần tử monomer trên các tương tác được thúc đẩy bởi ion K+) và sự hóa bánh (subsequent aggregation). Bản chất của sự tạo gel là nhờ vào việc hình thành liên kết crosslinked vật lý nội phân tử của carrageenan tạo thành những chuỗi xoắn (đơn lẻ) khi được làm lạnh và sự liên kết giữa ion dương K⁺, Na⁺ và nhóm sulfonic (3-) làm cầu nối bắt cặp các chuỗi xoắn để tạo thành hệ gel ổn định.

Hình 3. Cơ chế hình thành gel k-arrageenan

Liên kết ion:

Một gel khác có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong ngành dược và thực phẩm là: Gel alginate, chuỗi polysaccharide tuyến tính tích điện âm được tạo ra từ α-L-guluronic acid (G) và β-D- mannuronic acid (M) liên kết với nhau qua liên kết α-1,4-glycoside.

Sự tạo gel của alginate được kiểm soát thông qua việc sử dụng các ion dương làm lớn “khiên” trung hòa lực đẩy tĩnh điện của các đơn vị carboxyl và tạo thành liên kết ion trực tiếp, đóng vai trò cơ chế chính trong sự hình thành gel alginate. Có nhiều loại ion có thể tạo gel được với alginate, nhưng chỉ ion Ca²⁺ là được quan tâm nghiên cứu nhờ vào những ứng dụng thực tiễn của nó. Tùy vào nồng độ Ca²⁺ khác nhau, gel hình thành tồn tại ở trạng thái chuyển nghịch do nhiệt được hoặc không chuyển nghịch do nhiệt được (nồng độ Ca²⁺ cao).

Hình 4. Cơ chế hình thành gel alginate

Cơ chế tạo gel của alginate với ion Ca²⁺ bao gồm 3 bước: (a) Tạo egg – box giữa các chuỗi saccaride với ion Ca²⁺ là cầu nối chelate; (b) Hình thành liên kết dimer giữa các egg – box; (c) Hình thành các liên kết bên (lateral packing) giữa các cặp egg-box được dimer hóa, liên kết bên chịu sự điều hòa của ion Ca²⁺, ion Na⁺ và liên kết hydro giữa các gốc carboxy trên chuỗi G được bắt cặp. 

Gel alginate là một trong những gel tự nhiên được ứng dụng nhiều nhất trong ngành dược và thực phẩm. Gel H⁺-alginate hình thành giữa alginate với dịch vị dạ dày cung với sự phối hợp của ion Ca²⁺ tạo gel Ca- alginate là 2 cơ chế chính trong chỉ định điều trị trào ngược dạ dày của Gaviscon (Reckitt Benckiser).  Ca- alginate còn được ứng dụng trong bao vi nang (encapsulation) các vitamin kém bền B1, B6, C, enzym pectinase (enzym thủy phân pectin giúp tạo độ trong cho các dung dịch nước trái cây) hoặc làm tá dược điều chỉnh phóng thích cho dược chất, chất gây treo hoặc làm hoạt chất tạo lớp gel điều trị vết thượng do viêm loét dạ dày.

Complex coacervation (phức hợp keo tụ):

Phức hợp keo tụ gel có thể được tạo thành thông qua việc phối hợp dung dịch polyanion và polycation. Nguyên lý cơ bản là do sự bắt cặp của các điện tích trái ngược để hình thành nên phức hợp (complex) tan được hoặc không tan được tùy theo nồng độ và pH của hệ dung dịch. Ví dụ, protein ở pH dưới điểm đẳng điện sẽ tích điện dương và có xu hướng kết hợp với keo thân nước tích điện âm (anionic hydrocolloids) để tạo nên phức hợp gel thân nước đa điện tích (polyion) còn gọi là phức hợp keo tụ gel.

Hình 5. Sự gel hóa ion (ionotropic gelation) diễn ra nhờ vào sự tương tác của các nhóm tích điện âm của alginate (COO^–) và liên kết đôi cộng hóa trị của ion Ca⁺⁺

Liên kết gel thân nước và tương tác kị nước:

Cầu nối hydrogen thân nước có thể được hình thành nhờ vào việc giảm pH của dung dịch polymer mang nhóm carboxyl. Cơ chế này thúc đẩy sự hình thành sự hỗ trợ hóa gel (rheological synergism), đồng nghĩa với việc trộn 2 polymer có thể tạo ra hệ giống gel (gel-like) hơn các thành phần polymer đơn lẻ. Ví dụ: gelatin – agar, tịnh bột – CMC và hệ hyaluronic acid (HA) – methylcellulose có thể giúp hình thành cấu trúc giống gel nhờ liên kết bắt chéo (cross – link) có thể sử dụng cho đường tiêm.

Hình 6. Ví dụ gel thân nước hình thành nhờ liên kết hydrogen

Polyacrylic acid (PAA) và poly(methacrylic acid) (PMAAc) để tạo phực hợp với PEG nhờ vào liên kết hydrogen hình thành giữa oxy nguyên tử của PEG và nhóm carboxylic của PAA hoặc PMAAc. Liên kết hydrogen chỉ hình thành khi các nhóm carboxyl được ion hoá, vì vậy có thể hiểu pH đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình tạo và hút nước, trương nở của hệ gel. Tuy nhiên, liên kết hydrogen cũng chính là điểm yếu của hệ gel, khiến hệ gel có xu hướng hòa tan và phân rã trong môi trường nước sau một thời gian dài nên chỉ có thể ứng dụng cho hệ phóng thích thuốc tức thời.

Nguồn tài liệu tham khảo:

1. Redaelli, F., Sorbona, M., & Rossi, F. (2017). Synthesis and processing of hydrogels for medical applications. In Bioresorbable polymers for biomedical applications (pp. 205-228). Woodhead Publishing.
2. Pekcan, Ö., & Kara, S. (2012). Gelation mechanisms. Modern Physics Letters B, 26(27), 1230019.
3. Hu, C., Lu, W., Mata, A., Nishinari, K., & Fang, Y. (2021). Ions-induced gelation of alginate: Mechanisms and applications. International Journal of Biological Macromolecules.