Tài liệu Tổng hợp nano canxi hydroxyapatite từ phế phẩm xương cá chẽm biến tính zno và đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ THU TRANG TỔNG HỢP NANO CANXI HYDROXYAPATITE TỪ PHẾ PHẨM XƯƠNG CÁ CHẼM BIẾN TÍNH ZnO VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA VẬT LIỆU Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2021 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM PHÒNG DẦU KHÍ VÀ XÚC TÁC, VIỆN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC, VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. Nguyễn Trí Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Quốc Thiết Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Nguyễn Đình Thành Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQGHCM ngày 28 tháng 08 năm 2021 (trực tuyến). Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch: PGS. TS Nguyễn Quang Long 2. Phản biện 1: TS. Nguyễn Quốc Thiết 3. Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Đình Thành 4. Ủy viên: PGS. TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ 5. Ủy viên, thư ký: PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thu Trang MSHV: 1870158 Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1992 Nơi sinh: Quảng Bình Mã số: 8520301 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học I. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp nano canxi hydroxyapatite từ phế phẩm xương cá chẽm biến tính ZnO và đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát ảnh hưởng của các yêu tố đến quá trình tổng hợp nano canxi hydroxyapatite (HA) từ xương cá chẽm bằng phương pháp thủy nhiệt. Xác định điều kiện tổng hợp phù hợp. - Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp HA biến tính ZnO bằng phương pháp vi sóng. Xác định điều kiện tổng hợp phù hợp. - Đánh giá các tính chất lý hóa và chỉ tiêu vi sinh của mẫu vật liệu HA và HA biến tính ZnO sau khi tổng hợp được. - Đánh giá khả năng kháng một số chủng vi khuẩn phổ biến của vật liệu HA biến tính ZnO (ZnO@HA). III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 13/06/2021 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ, TS. Nguyễn Trí. Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua bộ môn. Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm2021 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời tri ân đến quý thầy, quý cô đã tận tình giảng dạy lớp cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, khóa 2018. Các thầy cô đã truyền đạt cho tôi những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm quý báu cũng như đã giúp đỡ tôi suốt quá trình học tập ở trường. Đặc biệt, tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ và TS. Nguyễn Trí, những người thầy đã tận tình chỉ dạy, động viên và luôn theo sát tôi trong quá trình thực hiện luận văn của mình. Các thầy đã dành cho tôi nhiều thời gian, tâm sức, cho tôi nhiều góp ý quan trọng cũng như động viên, khuyến khích tôi cố gắng trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin kính chúc các thầy luôn mạnh khỏe, vững bước trên con đường giảng dạy và sự nghiệp trồng người của mình. Tôi xin cảm ơn các thầy cô, các anh chị công tác tại Viện Công nghệ Hóa học đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất, sắp xếp thời gian để tôi có thể thực hiện thí nghiệm với điều kiện tốt nhất. Tôi xin cảm ơn những người bạn, thành viên nghiên cứu, làm thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Hóa học đã sẵn sàng san sẻ, giúp đỡ những lúc tôi gặp khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn. Mặc dù đã cố gắng, song do còn hạn chế về kiến thức chuyên sâu cũng như kinh nghiệm thực tiễn và thời gian tìm hiểu nên luận văn này khó tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến góp ý quý báu của các thầy cô giáo, các bạn bè đồng nghiệp. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 6 năm 2021 Học viên thực hiện Nguyễn Thị Thu Trang ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong nghiên cứu này, bã rắn xương cá chẽm (thải ra sau quá trình thủy phân enzym thu nhận protein) sau khi được rửa sạch, sấy khô, nghiền mịn được tiến hành tổng hợp hydroxylapatite (HA) bằng phương pháp thủy nhiệt. Quy trình thủy nhiệt trải qua các công đoạn: khuấy phân tán nguyên liệu trong nước cất, tiếp theo là thực hiện phản ứng với dung dịch H3PO4 để bổ sung thêm thành phần photpho để đạt tỉ lệ mol Ca/P theo lý thuyết trong HA (1,67), ủ kín hỗn hợp phản ứng trong môi trường nhiệt độ cao tại các mốc nhiệt độ từ 80 đến 140 oC với thời gian ủ từ 6 đến 24 giờ. Phần sản phẩm rắn được mang rửa sạch, sấy khô và nung ở những nhiệt độ khác nhau (550, 650, 750, 800 và 850 oC) trong các khoảng thời gian khác nhau (0,25; 0,5; 1; 1,5; 2 giờ) để thu được sản phẩm HA tinh khiết, không lẫn tạp chất hữu cơ. Ngoài ra, cũng thực hiện quy trình tổng hợp HA với nhiều tỉ lệ lỏng – rắn trong hỗn hợp phản ứng, bằng cách thay đổi đồng thời khối lượng nguyên liệu xương cá và nồng độ dung dịch H3PO4 tại những tỉ lệ 0,5; 1; 2; 3; 4 gam xương cá/50ml hỗn hợp phản ứng. Thông qua, kết quả đánh giá kích thước hạt và độ đơn pha của sản phẩm (bằng phương pháp XRD) đã đề xuất quy trình tổng hợp tốt nhất: quy trình tổng hợp HA từ xương cá chẽm sẽ diễn tốt nhất ở các điều kiện ủ nhiệt tại 120 oC trong thời gian 7 giờ, nung ở nhiệt độ 800 oC trong thời gian 30 phút, và tỉ lệ phù hợp cho phản ứng là 1 gam xương cá chẽm trong 50 ml nước cất. Từ sản phẩm HA thu được ở điều kiện tổng hợp tối ưu nhất, tiếp tục thực hiện biến tính 5 %kl ZnO để thu được vật liệu ZnO@HA bằng phương pháp vi sóng. Thực hiện việc biến tính này tại các điều kiện vi sóng khác nhau: thời gian vi sóng thay đổi từ 0,25, 0,5, 0,76 đến 1 giờ; công suất vi sóng ở bốn mức Medium Low, Medium, Medium High và High. Sau khi đánh giá kích thước thước hạt, thành phần nguyên tố và khả năng kháng khuẩn của các sản phẩm ZnO@HA bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD); tán xạ tia X (EDS) và xác định nồng độ ức chế tối thiểu đối với năm chủng vi sinh Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella, Bacillus cereus, đã xác định được, điều kiện biến tính tối ưu nhất để thu được ZnO@HA đó là thực hiện vi sóng trong vòng 30 phút tại mức công suất iii Medium. Sản phẩm ZnO@HA tổng hợp theo quy trình tốt nhất, cho thấy tính chất hóa lý đạt yêu cầu, tương đương hoặc tốt hơn các đề tài đã nghiên cứu trước đây. Sản phẩm thu được là thuần pha HA và ZnO, có kích thước nano (HA và ZnO có kích thước tinh thể lần lượt là 35,3 nm và 20,9 nm (theo kết quả XRD), bề mặt vật liệu có cấu trúc lỗ xốp, diện tích bề mặt riêng là 18,6 m2/g theo kết quả phân tích BET. Hình ảnh SEM, TEM cũng cho thấy hình dạng kích thước các hạt không chênh lệch nhau nhiều, kích thước hạt vào khoảng 30 – 60 nm. Khi đánh giá chỉ tiêu vi sinh với ba chủng vi sinh Salmonella, E. coli và Coliform, sản phẩm vô khuẩn – không bị nhiễm ba chủng vi sinh nêu trên. ZnO@HA tổng hợp được cũng cho thấy khả năng kháng khuẩn đối với các chủng vi khuẩn khác nhau: S. aureus, B. cereus, E. coli, P.aeruginosa và Salmonella. Với những tính chất như trên, vật liệu ZnO@HA thu được rất có tiềm năng để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. . iv ABSTRACT In this study, hydroxylapatite (HA) derived from Barramundi fishbones cleaned-out of protein, dried, and crushed was synthesized by hydrothermal method. The hydrothermal synthesis undergoes the following steps: stirring to disperse the material in distilled water, followed by reacting with H3PO4 solution to add phosphorus to achieve the theoretical Ca/P molar ratio in HA (1.67), keeping the reaction mixture at temperatures (80  140 oC) with the different durations (6  24 hours). After washed and dried, the solid product was calcined at different temperatures (550, 650, 750, 800 and 850 oC) for a period of 0,25; 0,5; 1; 1,5; 2 hours to get product HA pure, no impurities of the organic compounds. Besides, the effect of the contents of raw fishbone in the reaction solution was surveyed. From the results of the size as well as the purity of the HA product, the suitable conditions for synthesizing HA from Barramundi fishbones as detailed: the hydrothermal reaction: 120 °C for 7 hours, calcination: 800 oC for 30 minutes, and the content of raw fishbone in the reaction solution: 1 gam/50 ml. From HA synthesized at the suitable conditions, HA doped 5 wt.% ZnO was fabricated by microwave irradiation technique. This process undergoes at different conditions: period time from 0,25; 0,5; 0,75 to 1 hour; and four levels microwave power: Medium Low; Medium; Medium High; and High. The product were also determined particle size, elemental composition and antibacterial ability of by X-ray diffraction (XRD); X-ray dispersion (EDS) and determination of minimum inhibitory concentrations for five strains of microorganisms Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella and Bacillus cereus. The investigation found out the suitable conditions for the synthesis process is maintaining in 30 minutes at Medium power in microwave environment. The product ZnO@HA obtained by the suitable process has the physicochemical properties meeting the requirements and being equivalent to or better than those previously studied. Pure HA and ZnO according to processing parameters were observed by XRD analysis with the diameters of 35,3 nm and 20,9 nm respectively. v BET analysis revealed the surface area of ZnO-doped HA was 18.6 m2/g. The SEM and TEM images indicate the particle size is a range of 30  60 nm. Microbiological criteria test outcomes of ZnO@HA showing microbiological safety toward all bacteria including Salmonella, E. coli và Coliform. The antibacterial property of ZnO@HA was confirmed when tested against S. aureus, B. cereus, E. coli, P.aeruginosa and Salmonella by minimum inhibitory concentration method. With significant antibacterial activity, the product ZnO@HA has great potential for application in the biomedical field. vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ và TS. Nguyễn Trí. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa được công bố trong luận văn cùng cấp khác. Những số liệu trong bảng biểu phục vụ cho việc so sánh, đánh giá được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, trong phần trình bày, tôi có sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan, tổ chức khác đều có trích dẫn, chú thích nguồn gốc. Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nghiệm về đề tài của mình. Nguyễn Thị Thu Trang vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................ iii ABSTRACT ............................................................................................................ v LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................vii DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................ xv Chương 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................... 1 Chương 2. TỔNG QUAN ................................................................................. 4 GIỚI THIỆU VỀ CANXI HYDROXYAPATITE (HA) ......................... 4 2.1.1 Cấu tạo hóa học và cấu trúc tinh thể ..................................................... 4 2.1.2 Tính chất vật lý .................................................................................... 6 2.1.3 Tính chất hóa học................................................................................. 7 2.1.4 Tính chất sinh học ................................................................................ 7 2.1.5 Ứng dụng phổ biến của vật liệu HA ..................................................... 8 2.1.6 Các phương pháp tổng hợp HA .......................................................... 10 GIỚI THIỆU VỀ KẼM OXIT ............................................................... 12 2.2.1 Tính chất sinh học và khả năng kháng khuẩn của ZnO ....................... 13 VẬT LIỆU ZnO@HA ............................................................................ 16 2.3.1 Giới thiệu về ZnO@HA ..................................................................... 16 2.3.2 Khả năng kháng khuẩn của ZnO@HA ............................................... 16 2.3.3 Một số phương pháp tổng hợp ZnO@HA .......................................... 17 ỨNG DỤNG VI SÓNG TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ............... 18 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU................................. 21 2.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................... 21 2.5.2 Phương pháp quang phổ huỳnh quang XRF ....................................... 23 2.5.3 Phương pháp phổ hồng ngoài FT-IR .................................................. 24 2.5.4 Phương pháp tán sắc năng lượng tia X (EDS) .................................... 25 2.5.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ........................................... 25 viii 2.5.6 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................. 26 2.5.7 Phương pháp hấp phụ N2 ................................................................... 27 2.5.8 Xác định chỉ tiêu vi sinh..................................................................... 28 2.5.9 Đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu HA biến tính ZnO (ZnO@HA) ................................................................................................... 29 Chương 3. THỰC NGHIỆM .......................................................................... 32 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, CÁC DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG TỔNG HỢP VẬT LIỆU ..................................................................... 32 3.1.1 Nguyên liệu ....................................................................................... 32 3.1.2 Hóa chất............................................................................................. 32 3.1.3 Dụng cụ, thiết bị sử dụng: .................................................................. 32 QUY TRÌNH TỔNG HỢP HA .............................................................. 33 3.2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp HA ............................................................. 33 3.2.2 Diễn giải quy trình ............................................................................. 35 3.2.3 Khảo sát nhiệt độ của giai đoạn ủ nhiệt .............................................. 37 3.2.4 Khảo sát thời gian của giai đoạn ủ nhiệt ............................................. 37 3.2.5 Khảo sát nhiệt độ của giai đoạn nung ................................................. 38 3.2.6 Khảo sát thời gian của giai đoạn nung ................................................ 39 3.2.7 Khảo sát sự ảnh hưởng của tỉ lệ rắn lỏng đến hiệu quả của quá trình .. 39 QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ ZnO@HA ..................................................... 40 3.3.1 Sơ đồ quy trình điều chế ZnO@HA ................................................... 40 3.3.2 Diễn giãi quy trình ............................................................................. 42 3.3.3 Khảo sát thời gian vi sóng .................................................................. 42 3.3.4 Khảo sát công suất vi sóng ................................................................. 43 Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .......................................................... 44 QUY TRÌNH TỔNG HỢP HA .............................................................. 44 4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ nhiệt ......................................................... 44 4.1.2 Ảnh hưởng của thời gian ủ nhiệt ........................................................ 45 4.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung ............................................................ 47 4.1.4 Ảnh hưởng của thời gian nung ........................................................... 49 ix 4.1.5 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng .............................................................. 50 CÁC TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA HA THU ĐƯỢC TỪ XƯƠNG CÁ CHẼM .............................................................................................................. 53 4.2.1 Thành phần pha của vật liệu HA ........................................................ 53 4.2.2 Thành phần nguyên tố của vật liệu HA .............................................. 54 4.2.3 Các nhóm chức và liên kết đặc trưng của vật liệu HA ........................ 56 4.2.4 Hình thái bề mặt của của vật liệu HA ................................................. 57 4.2.5 Diện tích bề mặt riêng, đường kính lỗ xốp và kích thước lỗ xốp (BET) của vật liệu HA ............................................................................................. 58 4.2.6 Các chỉ tiêu vi sinh của vật liệu HA ................................................... 60 QUY TRÌNH TỔNG HỢP ZnO@HA BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG ............................................................................................................... 61 4.3.1 Ảnh hưởng của thời gian vi sóng........................................................ 61 4.3.2 Ảnh hưởng của công suất vi sóng....................................................... 64 CÁC TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA VẬT LIỆU HA BIẾN TÍNH ZnO 71 4.4.1 Thành phần pha trong vật liệu HA biến tính ZnO ............................... 71 4.4.2 Thành phần nguyên tố trong vật liệu HA biến tính ZnO ..................... 72 4.4.3 Các nhóm chức và liên kết đặc trưng của vật liệu HA biến tính ZnO . 73 4.4.4 Hình thái bề mặt của vật liệu HA biến tính ZnO................................. 74 4.4.5 Diện tích bề mặt riêng, đường kính lỗ xốp và kích thước lỗ xốp của vật liệu HA biến tính ZnO ................................................................................... 75 4.4.6 Các chỉ tiêu vi sinh vủa vật liệu HA biến tính ZnO ............................ 77 4.4.7 Khả năng kháng khuẩn vật liệu HA biến tính ZnO ............................. 78 Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 81 KẾT LUẬN ............................................................................................. 81 KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 83 x DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Công thức cấu tạo của phân tử HA ..................................................................... 4 Hình 2.2: Kết quả XRD của hai dạng tinh thể lục phương (a) và đơn tà (b) ........................ 5 Hình 2.3: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể lục phương .................................................. 5 Hình 2.4: Các dạng tồn tại của HA..................................................................................... 6 Hình 2.5: Cấu trúc tinh thể của kẽm oxit .......................................................................... 13 Hình 2.6: Những cấu trúc ROS điển hình ......................................................................... 15 Hình 2.7: Mô phỏng cơ chế kháng khuẩn của ZnO........................................................... 15 Hình 2.8: Cơ chế kháng khuẩn của ZnO@HA ................................................................. 17 Hình 2.9: Cấu tạo bóng đèn cao tần ((Magnetron) ............................................................ 18 Hình 2.10: Sơ đồ dao động của phân tử H2O trong môi trường vi sóng............................ 19 Hình 3.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp HA ........................................................................... 34 Hình 3.2: Quá trình bổ sung H3PO4 và duy trì phản ứng................................................... 35 Hình 3.3: Thiết bị ủ nhiệt áp suất cao ............................................................................... 36 Hình 3.4: Mẫu HA trước nung (a) và sau khi nung (b) ..................................................... 36 Hình 3.5: Sơ đồ quy trình điều chế ZnO@HA.................................................................. 41 Hình 4.1: Phổ XRD của các mẫu HA được tổng hợp ở nhiệt độ ủ (Th) khác nhau (th = 24 giờ, Tc = 550 oC và tc = 2 giờ); a) Th = 80 oC; b) Th = 100 oC; ................................................ 44 Hình 4.2: Phổ XRD của các mẫu HA được tổng hợp với thời gian ủ (th) khác nhau (Th = 120 oC, T = 550 oC và t = 2 giờ); a) t = 6 giờ; b) t = 7 giờ; ................................................. 46 c c h h Hình 4.3: Phổ XRD của các mẫu HA tổng hợp được khi nung ở nhiệt độ khác nhau (Th = 120 oC, th = 7 giờ, tc = 2 giờ); a) Tc = 550 oC; b) Tc = 650 oC; .......................................... 47 Hình 4.4: Phổ XRD của các mẫu HA tổng hợp được khi nung với thời gian nung khác nhau (Th = 120 oC, th = 7 giờ, Tc = 800 oC); a) tc = 0,25 giờ; ..................................................... 49 Hình 4.5: Phổ XRD của các mẫu HA tổng hợp với tỷ lệ rắn/lỏng khác nhau trong cùng điều kiện ủ và điều kiện nung phù hợp (Th = 120 oC, th = 7 giờ, ............................................... 50 Hình 4.6: Quy trình tổng hợp HA từ xương cá chẽm đề xuất ............................................ 52 Hình 4.7: Phổ XRD của mẫu HA thu được từ xương cá chẽm theo quy trình điều chế phù hợp nhất........................................................................................................................... 54 Hình 4.8: Phổ FT–IR của mẫu HA thu được từ xương cá chẽm ........................................ 56 Hình 4.9: Ảnh SEM (a) và TEM (b) của mẫu HA thu được từ xương cá chẽm ................. 57 Hình 4.10: Đường hấp phụ và giải hấp đẳng nhiệt khí N2 (a) và đường phân bố kích thước lỗ xốp được xác định bằng phân tích BJH (b) của vật liệu HA ......................................... 59 Hình 4.11: Phổ XRD của các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở các thời gian vi sóng khác nhau (công suất: Medium, %kl ZnO: 5%). ....................................................................... 61 xi Hình 4.12: EDS mapping thể hiện sự phân bố của các nguyên tố của các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở các thời gian vi sóng khác nhau ............................................................. 63 Hình 4.13: Phổ XRD của các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở các mức công suất vi sóng khác nhau (thời gian vi sóng 30 phút; %ZnO = 5%) ......................................................... 65 Hình 4.14: EDS mapping thể hiện sự phân bố các nguyên tố của các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở các công suất vi sóng khác nhau (thời gian vi sóng: 30 phút, %kl ZnO: 5% ); a) ZnHA-H, b) ZnHA-MH, c) ZnHA-M và d) ZnHA-ML .................................................... 66 Hình 4.15: Quy trình tổng hợp HA biến tính ZnO đề xuất ................................................ 70 Hình 4.16: Phổ XRD của mẫu 5%ZnO@HA được tổng hợp ở điều kiện tốt nhất ............. 71 Hình 4.17: Ảnh EDS mapping thể hiện sự phân bố các nguyên tố (a), phổ tán xạ tia X (b) của thành phần các nguyên tố có trong vật liệu HA biến tính ZnO. .................................. 72 Hình 4.18: Phổ FT-IR của HA biến tính ZnO. .................................................................. 73 Hình 4.19: Ảnh SEM (a) và TEM (b) của mẫu ZnO@HA. ............................................... 75 Hình 4.20: Đường hấp phụ và giải hấp đẳng nhiệt khí N2 (a) và đường phân bố kích thước lỗ xốp được xác định bằng phân tích BJH (b) của vật liệu ZnO@HA ............................... 76 Hình 4.21: Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu HA biến tính ZnO (E- E. coli, Sta - S. aureus, P -P. aeruginosa, Sal - Salmonella và B - B.cereus).......................................................... 78 xii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tính chất vật lý của HA ..................................................................................... 7 Bảng 3.1: Các giá trị nhiệt độ ủ nhiệt được khảo sát ......................................................... 37 Bảng 3.2: Các giá trị thời gian của giai đoạn ủ nhiệt được khảo sát .................................. 37 Bảng 3.3: Các giá trị nhiệt độ của giai đoạn nung được khảo sát ...................................... 38 Bảng 3.4: Các giá trị thời gian của giai đoạn nung được khảo sát ..................................... 39 Bảng 3.5: Các tỉ lệ rắn lỏng được khảo sát ....................................................................... 39 Bảng 3.6: Các mốc thời gian vi sóng được khảo sát ......................................................... 43 Bảng 3.7: Các công suất vi sóng được khảo sát ................................................................ 43 Bảng 4.1: Kích thước tinh thể (d) của các mẫu HA được tổng hợp ở nhiệt độ ủ (Th) khác nhau (th = 24 giờ, Tc = 550 oC và tc = 2 giờ) ..................................................................... 45 Bảng 4.2: Kích thước tinh thể (d) của các mẫu HA được tổng hợp với thời gian ủ (th) khác nhau (Th = 120 oC, Tc = 550 oC và tc = 2 giờ) ................................................................... 46 Bảng 4.3: Kích thước tinh thể (d) của các mẫu HA tổng hợp được khi nung ở nhiệt độ khác nhau (Th = 120 oC, th = 7 giờ, tc = 2 giờ) ........................................................................... 48 Bảng 4.4: Kích thước tinh thể (d) của các mẫu HA tổng hợp được khi nung với thời gian nung khác nhau (Th = 120 oC, th = 7 giờ, Tc = 800 oC) ...................................................... 50 Bảng 4.5: Các thông số cho quy trình tổng hợp HA từ xương cá chẽm ............................. 51 Bảng 4.6: Hàm lượng các nguyên tố của mẫu xương cá chẽm nguyên liệu và sản phẩm HA ........................................................................................................................................ 55 Bảng 4.7: So sánh tỷ lệ mol Ca/P trong sản phẩm HA thu được từ xương cá chẽm và các sản phẩm HA ở các nghiên cứu khác...................................................................................... 55 Bảng 4.8: So sánh kích thước tinh thể HA từ xương cá chẽm với các mẫu HA của các nghiên cứu khác .......................................................................................................................... 58 Bảng 4.9: Hình ảnh đánh giá một số chỉ tiêu vi sinh Salmonella, E. coli và Coliform của mẫu HA .................................................................................................................................. 60 Bảng 4.10: Kích thước tinh thể của HA (dHA),ZnO (dZnO) và thành phần Zn (Zn) có trong các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở các thời gian vi sóng khác nhau (công suất: Medium, %kl ZnO: 5%, tương đương %kl Zn: 4,01%) ................................................................... 64 Bảng 4.11: Kích thước tinh thể của HA (dHA), ZnO (dZnO) và thành phần Zn (Zn) có trong các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở công suất vi sóng khác nhau (thời gian vi sóng: 30 phút, %kl ZnO: 5% ) ................................................................................................................ 67 Bảng 4.12: Nồng độ ức chế tối thiểu của các mẫu ZnO@HA được tổng hợp ở công suất vi sóng khác nhau (thời gian vi sóng: 30 phút, %kl ZnO: 5% ) đối với các loại vi khuẩn khác nhau................................................................................................................................. 67 Bảng 4.13: Hình ảnh đánh giá các chỉ tiêu vi sinh của HA biến tính ZnO......................... 77 xiii Bảng 4.14: Nồng độ ức chế tối thiểu của vật liệu HA biến tính ZnO đối với 5 loại vi khuẩn khác nhau. ....................................................................................................................... 79 Bảng 4.15: So sánh nồng độ ức chế tối thiểu đối với hai chủng vi khuẩn E. coli và S.aureus của vật liệu HA biến tính ZnO với vật liệu nano ZnO ở một số công trình đã công bố. ..... 80 xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt HA Diễn giải Nano canxi hydroxyapatite ZnO@HA Nano canxi hydroxyapatite biến tính kẽm XRD Phổ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) XRF Phổ huỳnh quang tia X (X-ray fluorescence) BET Diện tích bề mặt riêng (Brunauer Emmett Teller) FT-IR Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourrier Transformation InfraRed) EDS Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscopy) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmitting electron microscopy) MIC Nồng độ ức chế tối thiểu (Minial Inhibitory concentration. E. coli Escherichia coli Salmonella Salmonella Typhi xv Luận văn tốt nghiệp Chương 1. MỞ ĐẦU Nước ta có đường bờ biển dài và hệ thống sông ngòi dày đặc nên ngành đánh bắt, nuôi trồng và chế biến thủy hải sản có nhiều thuận lợi. Chế biến thủy sản hiện nay đang phát triển thành một trong những ngành kinh tế mũi nhọn. Ngành này sản xuất một lượng hàng hóa lớn và đi đầu trong chiến lược hội nhập quốc tế. Với sự tăng trưởng nhanh và hiệu quả, thủy sản đã đóng góp tích cực trong chuyển đổi cơ cấu kinh tế nông nghiệp, đóng góp hiệu quả cho công cuộc xóa đói, giảm nghèo và giải quyết được việc làm cho hàng triệu lao động, nâng cao đời sống cộng đồng dân cư khắp các vùng nông thôn, ven biển, đồng bằng,…Ở khu vực cửa sông nơi giao nhau của nước ngọt và nước mặn là khu vực lý tưởng để nuôi trồng các loại thủy hải sản thích nghi với vùng nước lợ, hoặc có thay đổi điều kiện độ muối trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau. Cá chẽm là loài cá có vảy được nuôi ở nước ta với số lượng lớn. Nuôi cá chẽm có một số điểm thuận lợi, ít rủi ro hơn các loại thủy hải sản khác, như: cá chẽm dễ thích nghi với môi trường, có thể chịu nóng tốt, thích nghi với môi trường có khoảng muối rộng [1] và gần đây nguồn giống cá chẽm đang được các Viện/đơn vị có uy tín cung ứng ổn định, đáp ứng được nhu cầu của bà con nông dân nên xu hướng trong tương lai, sản lượng cá chẽm nuôi trồng ở nước ta sẽ tiếp tục tăng nhanh. Ngoài việc tiêu thụ nhỏ lẻ ở các chợ dân sinh, hầu hết cá chẽm nuôi được thu mua, chế biến công nghiệp và xuất khẩu dưới dạng cá phi lê. Phần xương cá được xem là phế phẩm có giá trị thấp, thực trạng hiện nay tồn tại một số cơ sở nhỏ thu gom và xử lý chưa tốt gây ra các vấn đề về môi trường. Trong khi đó phế phẩm này lại chứa nhiều thành phần có giá trị như canxi photphat, sợi colagen, canxicarbonat và hydroxyapatite. Đến nay, đã nhiều nghiên cứu nhằm tìm giải pháp tận dụng nguồn nguyên liệu này để gia tăng giá trị cho ngành nuôi trồng cũng như giải quyết được vấn đề môi trường. Trong đó, hướng nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng canxi hydroxyapatite (viết tắt là HA) có kích thước nano từ xương cá chẽm rất có tiềm năng phát triển, tuy nhiên hướng nghiên cứu này ở Việt Nam chưa được quan tâm. HA là một trong những thành phần chính của xương và răng người, do đó HA 1 Luận văn tốt nghiệp là vật liệu phù hợp để ứng dụng trong ngành vật liệu y sinh. Và xương cá sẽ là nguồn canxi photphat tự nhiên rẻ tiền cho việc tổng hợp HA. Hơn nữa đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng HA từ động vật là vật liệu y sinh có tính tương thích sinh học cao, không gây độc đối với cơ thể so với các chất tổng hợp hóa học [2]. Chắc chắn quá trình biến đổi xương cá thành HA là một quá trình thân thiện với môi trường và là cơ hội tốt để giảm chi phí điều trị trong lĩnh vực nha khoa và chỉnh hình. Tuy nhiên thực tế sẽ có một sự chênh lệch đáng kể giữa thành phần nguyên tố trong nguyên liệu nguồn gốc động vật và trong vật liệu y sinh mong muốn. Do đó, nhiệm vụ đặt ra là kiểm soát được tỉ lệ phù hợp của các thành phần mong muốn trong sản phẩm, cũng như gia tăng các tính chất cơ lý, tính chất kháng khuẩn đối với một số chủng vi khuẩn phổ biến. Do đó, đề tài nghiên cứu này được thực hiện với mục đích là tổng hợp được vật liệu HA đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của vật liệu y sinh; đồng thời biến tính HA đã đượng chế tạo với một lượng nhỏ ZnO giúp tăng cường các phản ứng sinh học, mở ra một giải pháp mới cho lĩnh vực chấn thương chỉnh hình nói riêng và các ứng dụng y sinh khác nói chung. Trong khuôn khổ đề tài này, các mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể như sau:  Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng được quy trình tổng hợp HA từ xương cá chẽm bằng phương pháp thủy nhiệt.  Xây dựng được quy trình điều chế ZnO@HA bằng phương pháp vi sóng.  Đánh giá các tính chất lý hóa cũng như các chỉ tiêu vi sinh của các mẫu vật liệu HA và HA biến tính ZnO tổng hợp được.  Đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với 05 chủng vi sinh Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella và Bacillus cereus.  Nội dung nghiên cứu:  Nội dung 1: Tổng hợp HA bằng phương pháp thủy nhiệt từ xương cá 2 Luận văn tốt nghiệp chẽm và các tiến chất H3PO4, dung dịch NH4OH bổ sung. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian phản ứng, tỉ lệ rắn lỏng đến quy trình tổng hợp. Đánh giá sản phẩm thu được để lựa chọn điều kiện thích hợp nhất.  Nội dung 2: Điều chế vật liệu ZnO@HA bằng phương pháp vi sóng từ sản phẩm HA tổng hợp được và muối kẽm nitrat. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian vi sóng và công suất vi sóng đến tính chất, kích thước và cấu trúc hạt sản phẩm thu được để lựa chọn điều kiện phù hợp.  Nội dung 3: Sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại để xác định tính chất lý hoá của các mẫu vật liệu HA biến tính ZnO thu được: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần pha; phương pháp phân tích phổ EDS để xác định thành phần nguyên tố hóa học; phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định hình thái bề mặt; phương pháp hấp phụ N2 (BET) để xác định diện tích bề mặt riêng, thể tích và kích thước lỗ xốp. Đồng thới đánh giá mức độ nhiễm khuẩn của các vật liệu.  Nội dung 4: Đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với năm chủng vi khuẩn: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella và Bacillus cereus bằng phương pháp nồng độ ức chế tối thiểu. 3