Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp canxi hidroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển nha trang (việt nam)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIÊT NAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) Chuyên ngành : Hóa Vô cơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐÀO QUỐC HƯƠNG LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Quốc Hương và ThS. Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong thời gian thực hiện đề tài luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các cô, các chú và các chị công tác tại Phòng Hóa Vô cơ – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Phạm Thị Ngọc Bích MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .......................................................................................... 4 1.1. HYDROXYAPATIT (HA) ..................................................................................... 4 1.1.1. Tính chất của HA ................................................................................................... 4 1.1.1.1. Tính chất vật lý.................................................................................................... 4 1.1.1.2. Tính chất hóa học ................................................................................................ 5 1.1.1.3. Tính chất sinh học ............................................................................................... 6 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA ................................................................... 7 1.1.3. Các phương pháp tổng hợp HA ............................................................................. 9 1.1.3.1. Phương pháp kết tủa ............................................................................................ 9 1.1.3.2. Phương pháp siêu âm hóa học........................................................................... 11 1.1.3.3. Các phương pháp khác ..................................................................................... 12 1.2. GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT ....................................... 12 1.2.1. Polysaccarit .......................................................................................................... 12 1.2.2. Alginat .................................................................................................................. 13 1.2.2.1. Nguồn gốc ......................................................................................................... 13 1.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của alginat ........................................................................... 14 1.2.3.3. Tính chất của alginat ......................................................................................... 14 1.2.2.4. Ứng dụng của alginat ........................................................................................ 17 1.3. VẬT LIỆU COMPOZIT ...................................................................................... 18 1.3.1. Vật liệu compozit của HA và polyme .................................................................. 18 1.3.1.1. Tình hình nghiên cứu ........................................................................................ 18 1.3.1.2. Tính chất và ứng dụng....................................................................................... 20 1.3.1.3. Phương pháp điều chế. ...................................................................................... 21 1.3.2. Vật liệu compozit của HA và alginat ................................................................... 23 1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT ........... 25 1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ................................................................................. 25 1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................................. 27 1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử ................................................................................ 28 1.4.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................... 28 1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................... 29 1.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA) .......................................................... 29 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM ................................................................................. 31 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất ................................................................................ 31 2.1.1. Dụng cụ: ............................................................................................................... 31 2.1.2. Thiết bị: ................................................................................................................ 31 2.1.3. Hóa chất: .............................................................................................................. 31 2.2. Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg ............................................. 32 2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm ..................... 33 2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat ......................................................... 33 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ......................................................... 34 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit............................................................... 34 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi ....................................................................... 34 2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa ........................................................... 35 2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn .......................................................... 35 2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm ......................................... 35 2.3.8. Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm ....................................................... 36 2.4. Chuẩn bị mẫu phân tích ....................................................................................... 36 2.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) .......................................................................................... 36 2.4.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) ........................................................................................ 36 2.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................................. 37 2.4.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)........................................................................ 37 2.4.5. Phân tích nhiệt (DTA - TGA) .............................................................................. 37 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 38 3.1. Quy trình tổng hợp compozit HA/Alg ................................................................. 38 3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm .............. 39 3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng alginat ....................................................................... 39 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ....................................................................... 46 3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit............................................................................. 49 3.2.4. Ảnh hưởng của dung môi ..................................................................................... 52 3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian già hóa ......................................................................... 55 3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn ........................................................................ 57 3.2.7. Ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm ....................................................... 59 3.2.8. Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm ................................................................. 61 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 65 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ĐÃ CÔNG BỐ ........ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 67 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HA Canxi hydroxyapatit HA/Alg Compozit của HA và alginat XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai – nhiệt trọng lượng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến kích thước của HA trong compozit.............................................................................................................. 40 Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của HA trong compozit HA/Alg…………………………………………... 47 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 đến kích thước trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg………………………………………………. 50 Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg………………………………………………. 56 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc khuấy đến kích thước trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg………………………………………………………...... 58 Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của compozit HA/Alg…………………………………................... 62 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA………………………….. 4 Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA……………………………… 5 Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA…………………………………... 6 Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể…. 7 Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau……….... 8 Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt……………………………………………………………………. 9 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa………………………......... 10 Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm……………... 11 Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat……………………………………....... 14 Hình1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginat a) Mô hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi……….. 16 Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS……………………………........ 23 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X………………….... 26 Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA ...... 27 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM…………………………….. 28 Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử………………... 29 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg.................................. 32 Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg................... 33 Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat khác nhau............................................................................................................... 39 Hình 3.2: Ảnh SEM của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginat......................................................................................... 41 Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50…………….... 42 Hình 3.4: Phổ FTIR của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginat......................................................................................... 43 Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA-50………………………. 44 Hình 3.6: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau............................................................................................................... 45 Hình 3.7: Ảnh SEM của mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ (a) 30oC và (b) 50oC............................................................................................................. 47 Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg ở nhiệt độ phản ứng khác nhau............................................................................................................... 48 Hình 3.9: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các tốc độ cấp axit khác nhau…………………………………………………………………………….... 49 Hình 3.10: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ cấp axit........ 51 Hình 3.11: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi…….. 52 Hình 3.12: Ảnh SEM của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi khác nhau…………………………………………………………………………….... 53 Hình 3.13: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi................ 54 Hình 3.14: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau....................................................................................................................... Hình 3.15: Phổ FTIR của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau….. Hình 3.16: Giản đồ XRD của HA trong compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy khác nhau…………………………………………………………. Hình 3.17: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy khác nhau………………………………………………………………………... Hình 3.18: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở hai điều kiện làm khô………………………………………………………………………….. Hình 3.19: Ảnh SEM của (a) HA-10, (b) HA-50, (a’) HA-Đ10 và (b’) HA-Đ50. Hình 3.20: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện không có sóng siêu âm (P1) và có sóng siêu âm (P2)………………………. Hình 3.21: Ảnh SEM của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện không có sóng siêu âm (P1) và có sóng siêu âm (P2)……………………………. Hình 3.22: Phổ FTIR của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện không có sóng siêu âm (P1) và có sóng siêu âm (P2)……………………………. 55 56 57 59 60 60 62 63 63 MỞ ĐẦU Canxi hydroxyapatit (hay còn gọi là hydroxyapatit - HA), công thức Ca5(PO4)3(OH) hoặc Ca10(PO4)6(OH)2, là muối kép của tri - canxi photphat và canxi hydroxit. Còn apatit tồn tại trong tự nhiên ở dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2. Trong cơ thể người và động vật, HA là thành phần chính trong xương (chiếm 65 - 70% khối lượng) và răng (chiếm 99%) [10, 16]. HA có các đặc tính quý giá như: Có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải,… [12]. Nó là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể người với tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng [28]. Việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu sinh học HA với mục đích thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương do bệnh lý và do tai nạn đang ngày càng phát triển. Các chế phẩm HA ở những kích thước khác nhau có các ứng dụng khác nhau. Ở dạng màng, một lớp HA mỏng, siêu mịn có thể tạo nên lớp men răng, các chi tiết nối xương và lớp phủ bề mặt cho xương nhân tạo. HA dạng khối xốp có thể dùng điền đầy các hốc răng bị sâu và các vết rạn nứt ở xương tự nhiên, làm xương nhân tạo mà không bị cơ thể đào thải. Ở dạng bột, HA kích thước nano (20 - 100 nm) dùng làm thuốc và thực phẩm bổ sung canxi, tăng cường khả năng hấp thụ canxi của cơ thể, ngăn ngừa và điều trị bệnh loãng xương. HA ở dạng bột còn được sử dụng để thay thế xương hoặc làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép [21, 52]. Để nâng cao đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học, một xu hướng mới là tạo ra vật liệu compozit bằng cách phân tán HA vào các polyme sinh học. Trong các vật liệu này, nhóm chức photphat và hydroxyl của HA tạo liên kết với các nhóm chức của polyme. Mặt khác, các nhóm chức của polyme có khả năng tạo liên kết tốt với các tế bào sinh học, do vậy nâng cao tính tương thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của cơ thể. Các polyme đang được tập trung nghiên cứu theo hướng này là các polyme tự nhiên như collagen, chitosan, alginat, hay các polyme tổng hợp như poly (lactide-co-galactide) làm các chất 1 truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc và chế tạo các chi tiết xương nhân tạo để cấy ghép xương [46]. Vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA và polyme tự nhiên đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc… Để góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong y sinh học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp canxi hydroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)”. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam). Những nội dung nghiên cứu: · Nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit HA/Alg bằng phương pháp kết tủa; · Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp đến độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước hạt và trạng thái tập hợp của vật liệu compozit: - Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat; - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ; - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit; - Khảo sát ảnh hưởng của dung môi; - Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa; - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn; - Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm; - Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm. Phương pháp nghiên cứu: Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm để tổng hợp, khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng và các phương pháp vật lý hiện đại để khảo sát, đánh giá chất lượng sản phẩm thu được: 2 - Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD); - Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR); - Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM); - Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM); - Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA). Những đóng góp của luận văn Lần đầu tiên ở trong nước đã nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam). Bố cục của luận văn · Mở đầu · Nội dung chính với 3 chương - Chương I: Tổng quan - Chương II: Thực nghiệm - Chương III: Kết quả và thảo luận · Kết luận · Danh mục các tài liệu tham khảo 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. HYDROXYAPATIT 1.1.1. Tính chất của hydroxyapatit 1.1.1.1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HA), có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA nóng chảy ở nhiệt độ 1760oC; sôi ở 2850oC; độ tan trong nước: 0,7 g/l; khối lượng phân tử: 1004,60; khối lượng riêng: 3,156 g/cm3; độ cứng theo thang Mohs: 5. HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800 - 1200oC tùy thuộc vào phương pháp điều chế và dạng tồn tại. Tùy theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol - gel, phương pháp điện hóa) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như nhiệt độ phản ứng, nồng độ, thời gian già hóa sản phẩm…) mà các tinh thể có hình dạng khác nhau [32]. Các tinh thể HA thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình cầu,… [55] và có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (Hình 1.1). Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA 4 Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml. Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp trong các ô đơn vị như hình 1.2. Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Trong 10 nhóm PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy. Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA. Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như trên, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, từ đó có thể khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2 [54]. 1.1.1.2. Tính chất hóa học Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3. Phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [35]. 5 Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA · HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl · 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 đến 1200oC tạo thành oxy - hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1) (1.2) · Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1.3) Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + CaO + 2H2O (1.4) 1.1.1.3. Tính chất sinh học [30, 35] Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao. 6 Để chế tạo HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và lựa chọn công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học. 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA Vật liệu HA tồn tại ở nhiều dạng: Dạng màng, dạng bột, dạng khối xốp, dạng compozit... Với các đặc tính nổi trội của nó, HA đã được ứng dụng đa dạng, phong phú trong y học và dược học. Ở dạng bột: Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HA. HA ở dạng bột mịn, kích thước nano được cơ thể người hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản, do vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit có trong dạ dày. Vì những đặc tính này, HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [39]. Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể Ở dạng màng: Lớp màng HA chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) được phủ lên bề mặt vật liệu bằng kim loại và hợp kim bằng các phương pháp điện hóa và phương pháp điện di trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên. Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n - HA, người ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng 7 phạm vi ứng dụng của màng n - HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông tiến đến có thể sử dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các vị trí khác [6]. Ở dạng khối xốp: Gốm xốp HA được ứng dụng rất rộng rãi trong y sinh học: - Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng: Các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [23]. - Chế tạo mắt giả: HA tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc biệt có khả năng thích ứng cao với cơ thể [27]. - Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương [49]. Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (hình 1.5) có kích thước và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia công sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [12]. 8 Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như: - Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [13]; - Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [52]; - Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán isulin trong ruột [52]. 1.1.3. Các phương pháp tổng hợp HA Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã được triển khai từ lâu và đạt được những thành tựu đáng kể. Ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo ra các bước tiến mới trong lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học cũng như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác. Dưới đây là các phương pháp cơ bản thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu HA kích thước nano. 1.1.3.1. Phương pháp kết tủa Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, được phân ra thành hai nhóm chính: - Phương pháp kết tủa tử các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong nước: Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4,… 9 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH → Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.5) Để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (chiều tạo HA), cần duy trì pH của hỗn hợp phản ứng ở pH từ 10 - 12. - Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước: Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trường kiềm. Phương trình phản ứng đặc trưng: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Trong quá trình điều chế, độ pH của hỗn hợp phản ứng giảm dần. H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn: H3PO4 ↔ H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2 (1.7) H2PO4- ↔ HPO42- + H+ pKa1 = 7,2 (1.8) HPO42- ↔ PO43- + H+ (1.9) pKa1 = 12,3 Khi thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO42- và H2PO4- ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm HA. Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7. Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa 10 1.1.3.2. Phương pháp siêu âm hóa học Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước nano, có thể tiến hành phản ứng hóa học trong môi trường sóng có tần số lớn như sóng siêu âm. Nguyên lí của phương pháp siêu âm là dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao, trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation). Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng. Hiện tượng tạo bọt - vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng. Khi bọt phát triển đến một kích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.8). Hiện tượng này gọi là sự tỏa nhiệt điểm và nó sẽ sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó. Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt. Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hóa học lên nhiều lần. Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng tốc độ tạo mầm tinh thể. Quá trình tạo - vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng - rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao. Các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn tùy thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm [12]. 11