Thiết kế một hydrogel thông minh có phản ứng thay đổi khối lượng theo pH để ứng dụng drug delivery. a. Nêu thành phần polymer, cơ chế nhạy pH và cách tổng hợp. b. Mô tả cách đánh giá swelling ratio và...

Đây là một đề tài nghiên cứu rất phổ biến và quan trọng trong lĩnh vực khoa học vật liệu và y sinh học. Tôi sẽ trình bày chi tiết về cách thiết kế, đánh giá và giải quyết các vấn đề liên quan đến hydrogel thông minh phản ứng với pH.

a. Thành phần, cơ chế và cách tổng hợp
Thành phần polymer
Để hydrogel có thể phản ứng với sự thay đổi pH, thành phần chính của nó phải là các polymer có chứa các nhóm chức nhạy với pH.

Polymer mang tính axit (ví dụ: Poly(acrylic acid) - PAA): Chứa các nhóm -COOH. Khi pH tăng (môi trường kiềm), các nhóm -COOH sẽ bị deprotonate thành −COO 
−
. Sự đẩy tĩnh điện giữa các nhóm −COO 
−
 làm cho mạng lưới polymer nở ra và hấp thụ nhiều nước hơn, dẫn đến tăng thể tích.

Polymer mang tính bazơ (ví dụ: Poly(diethylaminoethyl methacrylate) - PDEAEMA): Chứa các nhóm amin tertiary. Khi pH giảm (môi trường axit), các nhóm amin sẽ bị protonate thành −NH 
+
. Sự đẩy tĩnh điện giữa các nhóm −NH 
+
 làm cho polymer trương nở.

Polymer trung tính (ví dụ: Poly(ethylene glycol) - PEG): Thường được sử dụng để cải thiện tính tương thích sinh học và làm vật liệu nền, giúp kiểm soát tốc độ trương nở và độ bền cơ học.

Cơ chế nhạy pH
Cơ chế hoạt động của hydrogel thông minh dựa trên sự ion hóa các nhóm chức nhạy cảm.

Trong môi trường kiềm (pH cao): Các nhóm axit (-COOH) trên polymer sẽ mất proton và trở thành anion (–COO 
−
), trong khi các nhóm bazơ (–NH2) sẽ ở trạng thái trung hòa. Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm mang điện tích âm làm cho mạng lưới polymer nở ra, hấp thụ nước và tăng thể tích.

Trong môi trường axit (pH thấp): Các nhóm axit (-COOH) sẽ ở trạng thái trung hòa, trong khi các nhóm bazơ sẽ nhận proton và trở thành cation (–NH3+). Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm mang điện tích dương sẽ làm cho hydrogel trương nở.

Cách tổng hợp
Phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp hydrogel nhạy pH là polyme hóa gốc tự do (Free-Radical Polymerization).

Chuẩn bị dung dịch: Trộn các monomer nhạy pH (ví dụ: axit acrylic), chất khơi mào (initiator, ví dụ: ammonium persulfate - APS) và chất liên kết ngang (cross-linker, ví dụ: N,N'-methylenebisacrylamide - MBA) trong dung môi thích hợp.

Khử oxy: Sục khí nitơ hoặc argon vào dung dịch để loại bỏ oxy, vì oxy có thể ức chế phản ứng polyme hóa.

Khởi tạo: Gia nhiệt hoặc chiếu tia UV để phân hủy chất khơi mào, tạo ra các gốc tự do. Các gốc này sẽ tấn công liên kết đôi của monomer, bắt đầu quá trình polyme hóa.

Tạo mạng lưới: Quá trình polyme hóa tiếp diễn, và các phân tử monomer được kết nối với nhau. Chất liên kết ngang sẽ tạo ra các cầu nối giữa các chuỗi polymer, hình thành một mạng lưới 3D không tan.

Thu hoạch và tinh chế: Thu hoạch hydrogel, sau đó rửa bằng nước cất để loại bỏ các monomer chưa phản ứng và các tạp chất khác.

b. Đánh giá hiệu suất
Đánh giá tỷ lệ trương nở (Swelling Ratio)
Mục đích: Đánh giá khả năng hấp thụ nước của hydrogel ở các mức pH khác nhau.

Quy trình:

Cân khối lượng hydrogel khô (W 
d
​
).

Ngâm hydrogel vào các dung dịch đệm có pH khác nhau (ví dụ: pH 1.2, 5.5, 7.4).

Tại các khoảng thời gian nhất định, lấy hydrogel ra, lau nhẹ nước bề mặt và cân khối lượng ướt (W 
s
​
). Lặp lại cho đến khi khối lượng ổn định (đạt trạng thái cân bằng trương nở).

Tính tỷ lệ trương nở:
Q= 
W 
d
​

W 
s
​
−W 
d
​

​
 

Đồ thị: Vẽ đồ thị thể hiện tỷ lệ trương nở theo thời gian ở các giá trị pH khác nhau. Kết quả sẽ cho thấy hydrogel trương nở tối đa ở pH nào và thời gian cần để đạt trạng thái cân bằng.

Đánh giá tốc độ phóng thích thuốc in vitro
Mục đích: Mô phỏng quá trình giải phóng thuốc trong cơ thể (dạ dày, ruột, máu...).

Quy trình:

Nạp thuốc: Ngâm hydrogel đã tổng hợp vào dung dịch thuốc có nồng độ biết trước trong một thời gian để thuốc khuếch tán vào mạng lưới polymer. Sau đó, cân khối lượng thuốc đã nạp.

Thử nghiệm phóng thích: Đặt hydrogel chứa thuốc vào các ống nghiệm chứa dung dịch đệm có pH khác nhau, mô phỏng các môi trường sinh học (ví dụ: pH 1.2 cho dạ dày, pH 7.4 cho ruột).

Lấy mẫu: Tại các khoảng thời gian đều đặn, lấy một lượng nhỏ dung dịch ra khỏi ống nghiệm và đo nồng độ thuốc bằng máy quang phổ UV-Vis.

Tính toán: Tính toán tổng lượng thuốc đã phóng thích và vẽ đồ thị biểu diễn phần trăm thuốc phóng thích theo thời gian.

c. Vấn đề an toàn sinh học và cải thiện
Vấn đề an toàn sinh học
Độc tính: Một số monomer và chất liên kết ngang có thể độc hại. Ví dụ, acrylamide là một chất độc thần kinh và có thể gây ung thư.

Phản ứng miễn dịch: Vật liệu ngoại lai có thể gây ra phản ứng viêm hoặc phản ứng miễn dịch khi đưa vào cơ thể.

Tính không phân hủy sinh học: Một số polymer có thể tồn tại trong cơ thể trong thời gian dài, gây ra các vấn đề tích tụ.