Open Access 
Abstract
Aloe vera, a tropical plant, growing a lot in Vietnam, has been used in industries such as pharmacy, food and medicine. This paper presented a fabrication a film composed of Aloe vera extract (AV) and polyvinyl alcohol (PVA) by freeze–thawing method. This method was simple, easy-to-implement which involved some steps such as freezing at low temperature (below -20 °C), then defrosting at room temperature (25 °C) and then performing some consecutive cycles to generate the film. The AV‒PVA composite film was evaluated for its mechanical property by tensile testing, chemical composition by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and morphology by scanning electron microscopy (SEM). The obtained AV‒PVA composite film was solidified with a high AV extract content of AV: PVA (1:1, v:v). A composite film with 25% (volume) AV achieved a high elongation–at–break of 317.8%, the tensile strength of 10.45 MPa and the Young’s Modulus of 3.29 MPa. The AV‒PVA composite film contained all specific functional groups of PVA and AV. Otherwise, the composite film displayed the presence of pores on surface. This composite film is a environmentally friendly material and would be potential in applications in the water filter and biomedical field.
GIỚI THIỆU
Nha đam (Lô hội) có tên khoa học là Aloe barbadensis Miller, có nguồn gốc từ Ai Cập và Trung Quốc, là loại thực vật có thân ngắn, mọc sát thân, có màu xanh lá, mọng nước, bên trong chứa 99% là nước, chịu hạn tốt nên được trồng nhiều ở các vùng nhiệt đới 1 . Nha đam còn được trồng nhiều ở các nước nhiệt đới như khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Nha đam còn chứa hơn 75 hợp chất có hoạt tính sinh học cao bao gồm polysaccharide, vitamin, enzyme, amino acid và khoáng chất, cùng với các hợp chất khác, với nhiều hoạt tính sinh học như kháng khuẩn, ngăn chặn viêm nhiễm và giúp làm lành vết thương 2 . Nhờ đó, nha đam được sử dụng trong y học như phương thuốc chữa bệnh 1 , cũng như làm mỹ phẩm, và thực phẩm bổ sung dinh dưỡng tốt cho con người 3 . Hiện nay, nha đam còn sử dụng với nhiều mục đích khác như kết hợp với nhiều polymer khác để tạo ra các màng composite đặc trưng hay ứng dụng trong kĩ thuật cấy mô kết hợp từ nha đam và polycaprolactone 4 . Nha đam kết hợp với polyvinyl alcohol (PVA) và poly( N -vinylpyrrolidone) để tạo màng hydrogel nhằm băng bó vết thương 5 , nhưng trong đó, nha đam thường được đưa vào để tăng các đặc tính sinh học với hàm lượng khá nhỏ (<10%) 6 , với lý do khi cho lượng lớn nha đam vào mẫu thì nó thường làm giảm cơ tính một cách đáng kể 7 . Các bài báo nêu trên sử dụng phương pháp đúc dung môi (solvent-casting) hay phương pháp quay điện (electrospinning) 8 , 9 . Phương pháp đông lạnh– rã đông (freeze–thawing) đã được nghiên cứu trong một số lĩnh vực 7 , 10 , 11 , như nghiên cứu vật liệu xây dựng 12 và vật liệu y sinh như chế tạo hydrogel 13 , nhưng chưa được áp dụng để chế tạo màng từ dịch chiết cây nha đam và polymer. Phương pháp này thực hiện theo hai cách, cách thứ nhất là đông lạnh màng composite ở nhiệt độ âm, sau đó rã đông ở nhiệt độ thường và cứ thế lặp lại quy trình vài chu kỳ. Cách thứ hai có thể làm đông bằng cách nhúng vào bể nitrogen lỏng, sau đó rã đông trong tủ lạnh và cũng lặp đi lặp lại vài chu kỳ để thu được màng như mong muốn.
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới, rất thích hợp cho phát triển cây nha đam với nguồn nguyên liệu dồi dào. Bên cạnh đó, PVA có tính chất tạo màng tốt, độ bền cơ học cao, có thể phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường 14 . Bài báo trình bày việc chế tạo màng composite từ chiết suất nha đam và PVA (AV–PVA) bằng phương pháp đông lạnh–rã đông. Màng sau khi chế tạo được khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chiết suất nha đam lên tính chất cơ lý, thành phần hóa học và hình thái của màng composite AV–PVA thông qua đánh giá bằng phương pháp đo kéo, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Nguyên liệu
Polyvinyl alcohol (PVA, M w = 10.000–20.000 g/mol, độ tinh khiết 99%) do hãng Shanghai Zhanyun Chemical Co, Ltd., Trung Quốc cung cấp. Dung môi ethanol có độ tinh khiết 99,5% được phân phối bởi hãng Xilong, Trung Quốc.
Cây nha đam ( Aloe barbadensis Miller) thu hái tại thành phố Hồ Chí Minh được chế tạo thành chiết suất nha đam như Figure 1 . Đầu tiên, nha đam được loại bỏ phần vỏ ngoài và nhựa màu vàng, rồi rửa sạch và cắt nhỏ. Phần lõi nha đam được xay nhuyễn bằng máy xay trong khoảng 4-5 phút và lọc qua rây, có kích thước lỗ lọc 1 mm, để lọc loại bỏ phần nha đam chưa xay nhuyễn. Cuối cùng, thu được là nha đam lỏng (aloe vera gel, gọi tắt là AV).
Phương pháp chế tạo màng composite từ dung dịch chiết suất nha đam và PVA
Dung dịch PVA được chuẩn bị từ việc khuấy PVA trong nước cất với tỷ lệ 15% khối lượng (tốc độ khuấy 500 vòng/phút) ở nhiệt độ 90 °C trong 1 giờ để hòa tan hoàn toàn PVA. Sau đó, chiết suất nha đam và dung dịch PVA được trộn với các tỷ lệ thể tích khác nhau để tạo thành các mẫu, như Table 1 .
Hỗn hợp gồm dung dịch chiết suất nha đam và dung dịch PVA được khuấy trộn ở nhiệt độ 70‒80 °C trong 10 phút để tạo hỗn hợp đồng nhất. Sau đó, hỗn hợp này được thực hiện qui trình cấp đông và rã đông như sau: cho 10 mL dung dịch khảo sát vào đĩa petri và đông lạnh ở -20 °C trong 2 giờ, sau đó tiến hành rã đông trong 1 giờ. Thực hiện chu kỳ cấp đông và rã đông như trên thêm 2 lần nữa. Như vậy sau 3 chu kỳ, mẫu được lấy ra, rửa với các dung môi (ethanol và nước DI) và để khô ở nhiệt độ phòng, thu được màng composite AV‒PVA ( Figure 2 ).
Đánh giá cơ tính của màng composite AV‒PVA
Mẫu màng composite AV‒PVA được đánh giá độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D882 bằng thiết bị đo cơ tính đa năng Shimadzu AGS-X, Nhật Bản (đo trong điều kiện nhiệt độ phòng). Mẫu được chuẩn bị với kích thước như Figure 3 . Mẫu có bề dày mẫu 1 mm, chiều dài 35 mm, và chiều rộng 10 mm. Từng loại mẫu (theo Table 1 ) được đo 3 mẫu độc lập để lấy giá trị trung bình.
Phân tích cấu trúc hóa học và hình thái màng composite AV‒PVA
Các nhóm chức của dung dịch chiết suất nha đam, PVA và màng composite (AV‒PVA) được định danh và phân tích cấu trúc hóa học bằng thiết bị đo quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) Tensor37, Bruker, Úc.
Hình thái và cấu trúc xốp của màng composite được đánh giá bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) S4800, Hitachi, Nhật Bản. Màng composite (AV‒PVA) được sấy đông khô trên thiết bị BIOBASE BK-FD12S (Trung Quốc) ở nhiệt độ -50 o C trong 24 giờ. Sau đó, mẫu được phủ 1 lớp platin và được quét bởi máy SEM trong môi trường chân không ở 5kV với độ phóng đại: 500 lần.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Đánh giá hình thái bề mặt của màng composite AV‒PVA
Bằng phương pháp đông lạnh–rã đông, màng composite khi phối trộn PVA với AV đều kết khối tốt ở các tỉ lệ khác nhau. Đặc biệt, tỉ lệ phối trộn AV cao lên đến 50% vẫn tạo màng kết khối dạng rắn tốt. Kết quả phân tích màng composite bằng ảnh SEM cho thấy khi nồng độ % AV trong màng composite được cho tăng từ 0% lên 25%, 33% và 50% (v/v), độ gồ ghề của màng tăng lên và xuất hiện các lỗ rỗng ( Figure 4 ). Hàm lượng AV càng nhiều, lỗ rỗng càng to, thể hiện rõ nhất là ở mẫu 50% AV‒PVA. Hiện tượng này là do trong dung dịch chiết suất nha đam có hơn 90% là nước cho nên trong quá trình sấy lạnh, nước trong màng composite AV‒PVA đã bay hơi ra khỏi màng, hệ quả là tạo thành các lỗ rỗng trong cấu trúc của màng.
Figure 4 . Ảnh SEM mẫu (A) màng PVA và màng composite (B) 25% AV‒PVA, (C) 33% AV‒PVA, (D) 50% AV‒PVA.
Ảnh hưởng của hàm lượng nha đam đến cấu trúc của màng AV- ‒VA
Figure 5 là phổ FT-IR của dung dịch chiết suất nha đam (AV), PVA và màng composite khi ở các tỷ lệ % thể tích AV‒PVA khác nhau là 25%, 33%, và 50%. Phổ FT-IR của dung dịch chiết suất nha đam gồm đỉnh ở 3115‒3500 cm -1 đặc trưng cho dao động kéo giãn của nhóm hydroxyl (O–H) 15 , 16 , và đỉnh tại 1638 cm -1 đặc trưng cho dao động kéo giãn C=O của carboxylate 14 , 15 , 17 , 18 . Ngoài ra có các đỉnh đặc trưng của PVA gồm dao động kéo giãn –C–C ở 832 cm -1 , dao động của –C–O ở 1087 cm -1 và dao động uốn của nhóm CH 2 ở 1416 cm -1 19 . Đỉnh ở 2916 cm -1 là do dao động kéo giãn của nhóm CH 2 . Trong khi, đỉnh tại 1649 cm -1 đặc trưng cho dao động kéo giãn của nhóm carboxyl C=O, nhóm này được cho là từ nhóm acetate còn lại trong quá trình tổng hợp PVA.
Các màng composite AV‒PVA ở các tỉ lệ khác nhau đều cho kết quả phổ FT-IR tương tự như phổ của PVA ( Figure 5 ). Tín hiệu đỉnh ở 3000‒3600 cm -1 đặc trưng cho dao động giãn của nhóm O–H. Đỉnh ở 2860‒3000 cm -1 đặc trưng cho dao động giãn C–H trong nhóm CH 2 , tương ứng với các mẫu màng composite 25% AV‒PVA, 33% AV‒PVA và 50% AV‒PVA lần lượt là các đỉnh tại 2912, 2910 và 2913 cm -1 . Trong phổ FT-IR, các đỉnh trong khoảng 1030‒1150 cm -1 là đặc trưng cho dao động C–O kéo giãn. Trong vùng số sóng từ 1414‒1416 cm -1 đặc trưng cho dao động uốn của nhóm CH 2 . Kết quả cho thấy cấu trúc của màng composite AV‒PVA tương tự như cấu trúc của PVA. Điều này có nguyên do là nhóm chức của PVA và AV thể hiện phổ FT-IR tương tự nhau, đặc biệt là nhóm –OH. Như vậy, phương pháp đông lạnh–rã đông đã không làm thay đổi cấu trúc phân tử của PVA và AV. Các đặc tính của PVA và AV có thể được lưu giữ trong màng composite làm cho màng cũng có những tính chất như PVA và AV.
Figure 5 . Phổ FT-IR của các mẫu màng composite AV‒PVA so với phổ của AV và PVA.
Ảnh hưởng của hàm lượng nha đam đến tính chất cơ lý của màng AV‒PVA
Tính chất cơ lý của màng composite được đánh giá bằng phương pháp đo kéo các mẫu có tỉ lệ thành phần khác nhau. Khi tăng dần hàm lượng dung dịch chiết suất nha đam từ 0%, 25%, 33%, 50% (v/v) thì độ biến dạng dài trung bình của các màng composite AV‒PVA tăng dần theo tuần tự 289,9 ± 39,9%, 317,8 ± 27,0%, 322,9 ± 31,7% và 329,6 ± 57,4% ( Figure 6 ). Độ biến dạng dài tăng thể hiện khả năng kéo giãn, mềm dẻo của màng composite cao và tăng theo lượng AV tăng. Điều này cho thấy giữa PVA và AV có sự liên kết giữa các mạch phân tử với nhau qua các nhóm chức. Khi hàm lượng AV tăng thì các mạch phân tử dài của polysaccharide trong AV phân tán nhiều hơn và liên kết với phân tử PVA tăng và làm độ biến dạng dẻo cũng tăng theo. Nghiên cứu của Harini Sosiati và cộng sự 20 cũng cho ra kết quả tương tự (135 ± 7,10%). Tính mềm dẻo của vật liệu tăng lên khi tăng hàm lượng nha đam cũng là yếu tố cần thiết cho việc ứng dụng vào màng băng bó vết thương. Màng composite AV‒PVA tăng được độ biến dạng tốt nhất khi hàm lượng nha đam tăng lên tới 50%.
Độ bền kéo của màng PVA không có mặt AV tạo thành từ phương pháp đông lạnh–rã đông là 9,40 ± 1,41 MPa. Khi hàm lượng AV tăng lên 25% thì độ bền kéo tăng lên 10,45 ± 1,01 MPa. Tuy vậy, nồng độ nha đam tăng từ 33% và 50%, độ bền kéo lại giảm xuống tương ứng là 9,00 ± 1,71 MPa và 3,63 ± 1,07 MPa ( Figure 7 ). Điều này cho thấy việc thêm hàm lượng AV tăng lên (>25%) đã làm giảm độ bền kéo của màng compostie. Hiện tượng này là do nha đam khi thêm vào PVA làm các liên kết phân tử giữa các mạch PVA giảm. Việc cho thêm vào một lượng nhỏ dung dịch chiết suất nha đam ít ảnh hưởng đến liên kết phân tử, do liên kết PVA còn chặt chẽ; nhưng khi thêm lượng lớn dung dịch chiết suất nha đam đã làm tăng khoảng cách liên kết giữa cách mạch phân tử PVA, khiến cơ tính của màng bị giảm và có độ bền kéo thấp. Kết quả này cũng tương đồng với kết quả của Mona Hajian và cộng sự 9 đã đưa ra nhận xét rằng hàm lượng nha đam có thể tăng lên, nhưng tối đa chỉ được 30%, để đạt được màng với độ bền kéo tốt nhất là 41,5 MPa nhằm có thể phù hợp cho ứng dụng làm vật liệu băng bó vết thương 9 . Với kết quả này, màng composite AV‒PVA ở nồng độ nha đam 25% với độ bền kéo 10,45 ± 1,01 MPa là tiềm năng cho việc phát triển vào các ứng dụng.
Mô đun đàn hồi của màng AV‒PVA ở nồng độ 25% có sự tăng nhẹ (3,29 ± 0,04 MPa) so với màng không có sự hiện diện của AV (3,25 ± 0,36 MPa). Khi tăng hàm lượng nha đam từ 25%, 33% và 50% (v/v) độ bền kéo giảm dần theo tuần tự là 3,29 ± 0,04 MPa; 2,82 ± 0,72 MPa; 1,15 ± 0,52 MPa ( Figure 8 ). Kết quả cho thấy mô đun đàn hồi giảm có phụ thuộc một phần vào độ bền kéo. Nghiên cứu về hàm lượng nha đam tăng làm độ bền kéo giảm dẫn đến khả năng đàn hồi của màng giảm theo đã được chứng minh bởi nghiên cứu của ông Harini Sosiati và cộng sự 21 . Kết quả về mô đun đàn hồi tốt nhất là khi hàm lượng nha đam ở 25% đạt giá trị 3,29 ± 0,04 MPa.
KẾT LUẬN
Bài báo trình bày việc chế tạo màng composite AV‒PVA từ dung dịch chiết suất nha đam và polyvinyl alcohol bằng phương pháp đông lạnh–rã đông với các tỷ lệ AV cao từ 25%, 33% đến 50% (v/v). Độ giãn dài tăng dần tỷ lệ thuận với hàm lượng AV trong màng composite. Màng 25% AV‒PVA đạt được độ bền kéo cao nhất với giá trị là 10,45 MPa và mô đun đàn hồi 3,29 MPa, cao hơn màng PVA. Màng composite AV‒PVA chứa các nhóm chức hóa học đặc trưng của cả hai nguyên liệu đầu, và màng có các lỗ rỗng. Phương pháp đông lạnh–rã đông được sử dụng để chế tạo màng composite AV‒PVA đơn giản, thiết bị chế tạo không phức tạp. Sản phẩm được phù hợp ứng dụng làm màng lọc và ứng dụng khác trong y sinh.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AV: Aloe vera extract (Dung dịch chiết suất nha đam).
PVA: Polyvinyl alcohol.
SEM: Scanning electron microscopy
FTIR: Fourier-transform infrared spectroscopy
M w : Average molecular weight (Khối lượng phân tử trung bình).
v/v: volume/volume (khối lượng/khối lượng)
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Các tác giả cam kết không có bất kỳ xung đột lợi ích nào liên quan đến kết quả nghiên cứu.
ĐÓNG GÓP CỦA CÁC TÁC GIẢ
Nguyễn Vũ Việt Linh phụ trách đo và phân tích các kết quả FT-IR, viết bài báo.
Trần Thanh Tâm chịu trách nhiệm lên ý tưởng, liên hệ phản hồi các câu hỏi, yêu cầu của phản biện và ban biên tập tạp chí, phân tích ảnh SEM và bàn luận kết quả.
Nguyễn Nguyễn Thái Sinh chịu trách nghiệm thực hiện các thí nghiệm chế tạo màng composite AV–PVA bằng phương pháp đông lạnh–rã đông, tiến hành đo và phân tích kết quả cơ tính của màng composite.
References
- Surjushe A, Vasani R, Saple DG. Aloe vera: a short review. Indian J Dermatol. 2008;53(4):163-6. . ;:. PubMed Google Scholar
- Rahman S, Carter P, Bhattarai N. Aloe vera for tissue engineering applications. J Funct Biomater. 2017;8(1):6. . ;:. PubMed Google Scholar
- Maan AA, Nazir A, Khan MKI, Ahmad T, Zia R, Murid M et al. The therapeutic properties and applications of Aloe vera: a review. J Herb Med. 2018;12:1-10. . ;:. Google Scholar
- Suganya S, Venugopal J, Mary SA, Ramakrishna S, Lakshmi BS, Dev VRG. Aloe vera incorporated biomimetic nanofibrous scaffold: A regenerative approach for skin tissue engineering. Iran Polym J (Engl Ed). 2014;23(3):237-48. . ;:. Google Scholar
- Park KR, Nho YC. Preparation and characterization of hydrogels of PVA and PVP containing chitosan by radiation. Polym. 2001;25(5):728-35. . ;:. Google Scholar
- Escobar-Sierra DM, Perea-Mesa YP. Manufacturing and evaluation of chitosan, PVA and aloe vera hydrogels for skin applications. DYNA. 2017;84(203):134-42. . ;:. Google Scholar
- Hajian M, Mahmoodi M, Imani R. In vitro assessment of poly(vinyl alcohol) film incorporating aloe vera for potential application as a wound dressing. J Macromol Sci B. 2017;56(7):435-50. . ;:. Google Scholar
- Kong I, Tshai KY, Hoque ME. Manufacturing of natural fibre-reinforced polymer composites by solvent casting method. In: Manufacturing of Natural Fibre Reinforced polymer composites. Springer; 2015. p. 331-49. . ;:. Google Scholar
- Kurečič M, Smole MS. Elektropredenje: postopek izdelave nanovlaken. Tekstilec. 2013;56(1):4-12. doi: 10.14502/Tekstilec2013.56.4-12. . ;:. Google Scholar
- Garcia-Orue I, Gainza G, Gutierrez FB, Aguirre JJ, Evora C, Pedraz JL et al. Novel nanofibrous dressings containing rhEGF and aloe vera for wound healing applications. Int J Pharm. 2017;523(2):556-66. . ;:. PubMed Google Scholar
- Carter P, Rahman SM, Bhattarai N. Facile fabrication of aloe vera containing PCL nanofibers for barrier film application. J Biomater Sci Polym Ed. 2016;27(7):692-708. . ;:. PubMed Google Scholar
- Psimadas D, Georgoulias P, Valotassiou V, Loudos G. Molecular nanomedicine towards cancer: ¹¹¹In-labeled nanoparticles. J Pharm Sci. 2012;101(7):2271-80. . ;:. PubMed Google Scholar
- Neres Santos AMN, Duarte Moreira AP, Piler Carvalho CW, Luchese R, Ribeiro E, McGuinness GB et al. Physically cross-linked gels of PVA with natural polymers as matrices for manuka honey release in wound-care applications. Materials (Basel). 2019;12(4). . ;:. PubMed Google Scholar
- Nagarkar R, Patel J. Polyvinyl alcohol: A comprehensive study. Acta Sci Pharm Sci. 2019;3(4):34-44. . ;:. Google Scholar
- Isfahani FR, Tavanai H, Morshed M. Release of aloe vera from electrospun aloe vera-PVA nanofibrous pad. Fibers Polym. 2017;18(2):264-71. . ;:. Google Scholar
- Hikmawati D, Rohmadanik AR, Putra AP, Siswanto , Aminatun . The effect of Aloe vera extract variation in electrospun polyvinyl alcohol (PVA)-Aloe vera-based nanofiber film. J Phys Conf Ser. 2018;1120(1). . ;:. Google Scholar
- Chauhan P, Kumar A. Development of a microbial coating for cellulosic surface using aloe vera and silane. Carbohydr Polym Technol Appl. 2020;1:100015. . ;:. Google Scholar
- Rasli NI, Basri H, Harun Z. Zinc oxide from aloe vera extract: two-level factorial screening of biosynthesis parameters. Heliyon. 2020;6(1):e03156. . ;:. PubMed Google Scholar
- Khanzada H, Salam A, Hassan T, Munir MU, Pasha K, Hassan N. Fabrication of promising antimicrobial aloe; 2020. . ;:. Google Scholar
- Sosiati H, Apriyanto, Safarudin AR. The properties of nanofiber films made of Aloe vera gel combined with polyvinyl alcohol. Singapore: Springer; 2020. . ;:. Google Scholar
- Sosiati H, Widodo AN, Nugroho AW. the influence of aloe vera concentration on morphology and tensile properties of electrospun aloe vera-Pva nanofiber. jsmi. 2018;19(4):157. . ;:. Google Scholar
