NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HYDROGEL SINH HỌC TỪ CHITOSAN VỎ TÔM

HƯỚNG ĐI BỀN VỮNG CHO VẬT LIỆU Y SINH VÀ MÔI TRƯỜNG

Nhu cầu phát triển vật liệu thân thiện môi trường và có giá trị ứng dụng cao ngày càng gia tăng, nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công Thương TP.HCM đã thực hiện một nghiên cứu chuyên sâu về hydrogel sinh học có nguồn gốc tự nhiên, sử dụng chitosan chiết xuất từ vỏ tôm, một nguồn phế thải thủy sản dồi dào tại Việt Nam. Công trình đã được công bố trên Journal of Applied Polymer Science (Wiley, 2025), khẳng định chất lượng và uy tín quốc tế của nghiên cứu.

Hydrogel là vật liệu polymer ba chiều có khả năng hấp thụ và giữ nước ở mức rất cao trong khi vẫn duy trì được tính toàn vẹn cấu trúc. Nhờ đặc tính này, hydrogel được ứng dụng rộng rãi trong y sinh, bao bì thực phẩm, xử lý môi trường và vật liệu thông minh. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã phát triển hệ hydrogel tổ hợp từ ba polysaccharide tự nhiên gồm chitosan, alginate và carrageenan, mỗi thành phần đều có nguồn gốc sinh học, khả năng phân hủy sinh học và độ an toàn cao. Điểm nổi bật của nghiên cứu nằm ở việc chuyển hóa vỏ tôm thải thành chitosan có độ hòa tan trong nước rất cao (trên 92%) thông qua phương pháp xử lý nhẹ, thân thiện môi trường sử dụng axit acetic và hydrogen peroxide. Chitosan thu được có độ deacetyl hóa cao (94,2%), phù hợp để tham gia tạo mạng hydrogel bền vững và đồng nhất. Việc tận dụng phế thải thủy sản không chỉ giúp giảm gánh nặng môi trường mà còn góp phần xây dựng mô hình kinh tế tuần hoàn trong lĩnh vực vật liệu.

Hình 1. Sơ đồ xử lý vỏ tôm làm nguyên liệu sản xuất vật liệu hydrogel ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Các mẫu hydrogel được tổng hợp với hàm lượng chitosan thay đổi từ 0,5 đến 1,5 g, trong khi alginate và carrageenan được giữ cố định. Kết quả cho thấy mẫu hydrogel chứa 1,0 g chitosan (ký hiệu M3) thể hiện tính chất tối ưu nhất, với sự cân bằng hài hòa giữa cấu trúc, cơ tính và chức năng sinh học. Mẫu này đạt độ bền kéo cao (5,3 MPa), mô đun đàn hồi lớn (6,5 GPa), khả năng trương nở vượt trội (hơn 1200% ở pH trung tính), đồng thời có độ hòa tan gần như bằng không – cho thấy cấu trúc mạng polymer rất ổn định. Không chỉ vượt trội về tính chất cơ học, hydrogel M3 còn thể hiện hoạt tính sinh học ấn tượng. Khả năng kháng oxy hóa của vật liệu đạt tới 94,55% sau 120 giờ, cho thấy tiềm năng lớn trong bảo vệ tế bào và ứng dụng y sinh. Đặc biệt, hydrogel thể hiện hiệu quả kháng khuẩn rất cao đối với cả vi khuẩn Gram âm (E. coli) và Gram dương (S. aureus), với tỷ lệ tiêu diệt vi khuẩn xấp xỉ 99%. Đây là đặc tính quan trọng đối với các ứng dụng như băng vết thương, bao bì thực phẩm kháng khuẩn và vật liệu y tế. Các phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR) và hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy hydrogel có cấu trúc vô định hình chiếm ưu thế và hệ mao quản vi mô phân bố đồng đều. Cấu trúc xốp này tạo điều kiện thuận lợi cho hấp thụ nước, khuếch tán phân tử và mang, giải phóng các hoạt chất sinh học. Sự tương tác ion và liên kết hydro giữa các nhóm chức –NH₃⁺, –COO⁻ và –OSO₃⁻ đóng vai trò then chốt trong việc hình thành mạng lưới polymer bền vững.

 Hình 2. Cấu trúc xốp ưa nước và khả năng kháng khuẩn-kháng oxi hoá cao của vật liệu hydrogel nền chitosan-alginate-carrageenan

Nghiên cứu không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như vật liệu y sinh, bao bì phân hủy sinh học, hấp phụ chất ô nhiễm và công nghệ môi trường. Đồng thời, công trình thể hiện rõ năng lực nghiên cứu, định hướng phát triển vật liệu xanh và hội nhập quốc tế của đội ngũ giảng viên và các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Công Thương TP.HCM, góp phần thu hút người học và đối tác nghiên cứu trong tương lai.

Tài liệu tham khảo

Nguyen Hoc Thang, Nguyen Van Phuc, Le Ngoc Han, Pham Nguyen Phuong Ngoc, Tran Thi Tu Nhi (2024). Engineering properties of composite film from chitosan–alginate–carrageenan as antibacterial material. Chemical Papers, 79(2), 733-744.

Nguyen Van Phuc, Nguyen Hoc Thang, Tran Le Anh Khoa (2025). Evaluation on Effects of Chitosan Derived From Shrimp Shells on Engineering Properties, Antioxidant, Antibacterial, and Microstructural Characteristics of Chitosan–Alginate–Carrageenan‐Based Hydrogels. Journal of Applied Polymer Science, 142(32), e57278.