LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIÊT NAM

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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..............................................................................................................

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình và độ tinh

thể của HA trong compozit HA/Alg…………………………………………...

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 đến kích thước trung bình

và độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………….

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình

và độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………….

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc khuấy đến kích thước trung bình và độ tinh

thể compozit HA/Alg………………………………………………………......

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình và

độ tinh thể của compozit HA/Alg…………………………………...................

40

47

50

56

58

62

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA…………………………..

Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA………………………………

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA…………………………………...

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể….

Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau………....

Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp

hoặc dạng hạt…………………………………………………………………….

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa……………………….........

Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm……………...

Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat…………………………………….......

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………..

Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS……………………………........

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X…………………....

Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA ......

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM……………………………..

Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử………………...

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg..................................

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg...................

Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat

khác nhau...............................................................................................................

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.........................................................................................

Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50……………....

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.........................................................................................

Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA-50……………………….

4

5

6

7

8

9

10

11

14

16

23

26

27

28

29

32

33

39

41

42

43

44

Hình 3.6: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng

khác nhau...............................................................................................................

Hình 3.7: Ảnh SEM của mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ (a) 30oC

và (b) 50oC.............................................................................................................

Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg ở nhiệt độ phản ứng

khác nhau...............................................................................................................

Hình 3.9: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các tốc độ cấp axit khác nhau……………………………………………………………………………....

Hình 3.10: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ cấp axit........

Hình 3.11: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi……..

Hình 3.12: Ảnh SEM của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi khác nhau……………………………………………………………………………....

Hình 3.13: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi................

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)…………………………….

45

47

48

49

51

52

53

54

55

56

57

59

60

60

62

63

63

1

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

2

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:

3

- 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

4

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

5

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].

6

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.

7

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

8

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].

9

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,…

10

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- ↔ HPO4

2- + H+ pKa1 = 7,2 (1.8)

HPO42- ↔ PO4

3- + H+ pKa1 = 12,3 (1.9)

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

11

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].

12

1.1.3.3. Các phương pháp khác

Ngoài 2 phương pháp cơ bản nêu trên, có nhiều phương pháp khác để tổng

hợp HA dạng bột như [1, 3]:

• Phương pháp sol - gel;

• Phương pháp phun sấy;

• Phương pháp compozit;

• Phương pháp điện hóa;

• Phương pháp thủy nhiệt;

• Phương pháp phản ứng pha rắn;

• Phương pháp hóa - cơ;

• Một số phương pháp vật lý: Ngoài các phương pháp trên, còn có một số

phương pháp vật lý như phương pháp plasma, bốc bay chân không, phun xạ

magenetron, hồ quang,… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu trơ về mặt sinh

học [21].

1.2. GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT

1.2.1. Polysaccarit

Polysaccarit là một loại cacbohidrat cao phân tử, khi thủy phân đến cùng tạo

thành các phân tử monosaccarit. Trong polysaccarit, các gốc monosaccarit được nối

với nhau bằng cầu nối oxi theo liên kết glicozit tạo thành mạch thẳng hoặc mạch

nhánh. Khi tạo thành mạch, nhóm hydroxyl glicozit của phân tử này thường tương

tác với nhóm hydroxyl ancol của phân tử kia, thường ở vị trí nguyên tử C4, hiếm

hơn là ở vị trí nguyên tử C6 và rất hiếm là ở vị trí C3.

Với các muối của các kim loại chuyển tiếp như: Fe3+, Mn2+, Co2+,… các

polysaccarit có khả năng tạo thành các phức bền vững dễ hấp thụ trong cơ thể động

vật. Từ những năm 1960 đến nay, các loại phức giữa polysaccarit có khối lượng

phân tử 3000 - 7000 đvC với một số kim loại đã được nghiên cứu tổng hợp và đưa

ra sản xuất làm thuốc sử dụng trong chăn nuôi và sau này dùng cả cho người [5,

56].

13

- Đặc điểm của polisaccarit:

+ Là những polime được tạo ra từ thiên nhiên;

+ Là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng các anđozơ hoặc xentozơ;

+ Mạch là mạch hở, không nhánh hoặc có nhánh, mạch vòng hay uốn

khúc.

- Polisaccarit được chia thành 2 loại: homopolisaccarit và heteropolisaccrit.

+ Homopolisaccarit khi bị thủy phân hoàn toàn cho nhiều hơn 10

monosaccarit cùng loại ví dụ tinh bột, xenlulozơ, glycogen...;

+ Heteropolisaccarit khi bị thủy phân đến cùng cho 2 hay nhiều loại

monosaccarit khác nhau ví dụ alginat, pectit…

- Chức năng của polysaccarit:

+ Tạo hình;

+ Dự trữ;

+ Giữ nước.

Polisaccarit có khả năng tương tác với nhiệt và nước làm thay đổi tính chất

và trạng thái với độ đặc, độ dẻo, độ dai, độ dính, độ xốp, độ trong và khả năng tạo

màng khác nhau.

- Ứng dụng của polysaccarit:

Chúng được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, ở các dạng tự nhiên và biến

tính như các chất tạo độ đặc hay tạo gel, chất làm bền nhũ tương và các hệ phân tán.

Ngoài ra chúng còn được dùng làm chất tạo màng, bảo vệ bề mặt các loại thực

phẩm nhạy cảm khỏi những thay đổi không mong muốn, thành phần thêm vào trong

các thực phẩm ăn kiêng…

1.2.2. Alginat

1.2.2.1. Nguồn gốc

Alginat là loại polyme sinh học có nguồn gốc từ biển phong phú nhất thế

giới, là loại polyme sinh học nhiều thứ hai sau cellulose. Theo tài liệu [14], alginat

được nhà hóa học người Anh E.C.C Stanford tìm ra năm 1881, là một polysaccarit

có mặt trong rong nâu với hàm lượng cao nhất, lên đến 40% khối lượng chất khô.

14

Alginat nằm trong hệ thống gian bào ở dạng gel chứa các ion natri, canxi, magie,

stronti và bari. Chức năng chính của chúng được cho là bộ khung, tạo nên cả độ bền

vững lẫn độ mềm dẻo của mô rong [19].

1.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của alginat

Alginat là tên gọi chung các muối của axit alginic. Trong thuật ngữ phân tử,

alginat là một họ của copolyme nhị phân không phân nhánh gồm các gốc β-D-

mannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozid.

Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các monome trong chuỗi mạch, tạo nên

các đoạn homopolyme (MM hoặc GG) lẫn các heteropolyme (MG hoặc GM). Khối

lượng phân tử của alginat thường trong khoảng 50 - 1000kDa [19, 20].

Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat: a) Các monome của alginat;

b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginat

1.2.3.3. Tính chất của alginat

- Độ tan

Có ba yếu tố quan trọng quyết định độ tan của alginat trong nước đó là: độ

cứng của nước, độ pH và lực ion tổng của các chất tan.

Độ cứng của nước (ví dụ như hàm lượng ion Ca2+) được xem là yếu tố chính

ảnh hưởng đến độ tan. Độ pH của dung môi là yếu tố quan trọng bởi vì nó xác định

15

điện tích trên các gốc uronic. Lực ion của môi trường cũng đóng vai trò quan trọng

(hiệu ứng muối kết của các cation không tạo gel). Hàm lượng của các ion tạo gel

trong dung môi cũng hạn chế sự hòa tan của alginat [14, 41].

- Độ nhớt

Khi nằm trong vách tế bào, alginat có độ nhớt cao nhưng khi tách chiết bằng

phương pháp khác nhau, alginat bị giảm độ nhớt. Alginat có khối lượng phân tử

trung bình lớn thì độ nhớt càng lớn. Tỷ lệ mannuronic/guluronic (M/G) cũng ảnh

hưởng đến độ nhớt của sản phẩm. Tuy nhiên, tỷ lệ M/G và trọng lượng phân tử lại

phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố: Loài rong, độ trưởng thành, khu vực sinh trưởng,

kỹ thuật chiết xuất, thời gian bảo quản... Độ nhớt dung dich alginat biến thiên trong

dải rộng từ 10 mPa.s đến 1000 mPa.s (dung dịch 1%). Với một chút muối canxi sẽ

làm tăng độ nhớt cho sản phẩm hay độ cứng của gel canxi alginat tạo ra. Các alginat

mà có tỷ lệ G cao hay M/G thấp sẽ cho gel rắn hơn [42].

- Độ ổn định

Giống như các polysaccarit tự nhiên khác, alginat không bền với nhiệt và ion

kim loại… Độ ổn định của alginat sắp xếp theo thứ tự: natri alginat > amoni alginat

> axit alginic. Alginat có độ nhớt cao kém ổn định hơn alginat có độ nhớt trung

bình hoặc thấp.

Bột alginat rất dễ bị giảm độ nhớt nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp.

Khi lưu trữ alginat có độ nhớt khoảng 50 mPa.s ở 10 - 20oC, trong thời gian 3 năm,

độ nhớt thay đổi rất ít so với ban đầu. Còn với alginat có độ nhớt cao (khoảng 4000

mPa.s), khi bảo quản ở 25oC sau một năm độ nhớt bị giảm 10% và ở 33oC thì bị

giảm 45%. Dung dịch alginat ổn định ở pH từ 5,5 - 10 tại nhiệt độ phòng một thời

gian dài, nhưng sẽ chuyển sang dạng gel ở pH nhỏ hơn 5,5 [43].

- Tính chất tạo gel

Dung dịch natri alginat có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion

hóa trị II, III. Khi nhỏ một giọt dung dịch natri alginat vào dung dịch CaCl2 sự tạo

gel xảy ra gần như tức thời trên bề mặt của giọt và cho ta hạt gel có dạng hình cầu.

16

Các gel được tạo thành ở bất kỳ nhiệt độ nào (dưới 100oC) và không bị chảy ra khi

đun nóng.

Khả năng tạo gel này được giải thích bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng” của

phân tử canxi alginat. Khi có mặt các ion hóa trị II, III ở nồng độ thích hợp thì sự

tạo gel xảy ra, các phân tử sắp xếp song song, các phần gấp nếp của đoạn GGGG

tạo thành khoảng không gian như chỗ đặt trứng. Các ion canxi chui vào khoảng

trống này, liên kết với các nhóm carboxyl và các nguyên tử oxy vòng trong của mỗi

đoạn song song. Lúc này, các phân đoạn GGGG nối với nhau qua các ion Ca2+ làm

cho các phân tử gần nhau hơn và ép nước thoát ra ngoài, khi đó gel alginat được

hình thành.

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

Gel được tạo ra do tương tác tĩnh điện qua ion canxi nên gel này không thuận

nghịch với nhiệt và ít đàn hồi. Khả năng tạo gel và độ bền phụ thuộc vào hàm lượng

các đoạn guluronic (G). Phản ứng tạo liên kết gel sẽ không xảy ra ở những đoạn

poly - mannuronic và những đoạn MG (mannuronic - guluronic). Tỷ lệ G lớn hơn

so với M thì khả năng tạo gel của alginat sẽ tốt hơn.

Khả năng tạo gel của các muối alginat còn phụ thuộc vào kích thước của ion

kim loại. Ái lực của alginat đối với các ion kim loại hóa trị II khác nhau giảm theo

trình từ: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+. Tùy thuộc vào loại ion liên

kết và loại alginat mà gel tạo thành có tính chất khác nhau [14, 40].

17

1.2.2.4. Ứng dụng của alginat

Do có nhiều ứng dụng khác nhau, alginat được xem là một trong những

polysaccarit có nhiều ứng dụng nhất. Các ứng dụng này trải rộng từ các ứng dụng

có tính chất kỹ thuật truyền thống, đến thực phẩm và y sinh học.

Các ứng dụng của alginat đều dựa trên ba đặc điểm chính. Thứ nhất là khả

năng tạo dung dịch có độ nhớt cao. Thứ hai là khả năng tạo gel khi thêm muối canxi

vào dung dịch natri alginat trong nước. Sự tạo gel đó xảy ra phản ứng hóa học, khi

đó canxi thay thế natri trong alginat, giữ lấy các phân tử alginat dài với nhau và kết

quả là tạo gel. Quá trình tạo gel không cần đun nóng và gel thu được không bị chảy

khi đun nóng. Đặc điểm thứ ba của alginat là khả năng tạo màng và sợi canxi

alginat [31].

- Trong một số ngành kỹ thuật

Ứng dụng kỹ thuật quan trọng phổ biến nhất là tạo một chất tạo màng trong

in vải sợi, ở đó alginat thu hút được sự chú ý cao nhờ mang lại sự thẫm màu, độ rực

rỡ và độ đồng nhất. Nhu cầu alginat dùng trong in vải sợi chiếm khoảng 50% tổng

lượng alginat sản xuất trên toàn thế giới [31, 17]. Alginat cũng dùng để tráng bề mặt

giấy để đạt sự đồng nhất và làm tác nhân gắn kết trong việc sản xuất que hàn [34].

- Trong y - dược

Alginat đã được sử dụng trong hàng thập kỷ làm chất trợ giúp trong các ứng

dụng khác nhau trong y tế. Một số ví dụ bao gồm việc sử dụng làm vải băng bó vết

thương truyền thống [47], làm vật liệu lấy dấu răng và trong một số dược phẩm

chảy máu dạ dày. Việc sử dụng alginat làm chất ổn định ngày càng phổ biến trong

nhiều quá trình công nghệ sinh học khác nhau. Sự bắt giữ tế bào bên trong các hạt

cầu Ca - alginat đã trở thành kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi nhất để cố định tế bào

sống [44].

Triển vọng lớn nhất với các tế bào được cố định bằng gel alginat là việc ứng

dụng khả năng của chúng trong việc cấy ghép tế bào. Ở đây, mục đích chính của sự

tạo gel là tác dụng như một hàng rào giữa bộ phận ghép và hệ thống miễn dịch của

18

vật chủ. Các tế bào khác nhau đã được đề nghị cho việc cố định gel bao gồm các tế

bào tuyến cận giáp để điều trị bệnh canxi huyết và tế bào sản xuất dopamine nhuộm

màu tuyến thượng thận để điều trị bệnh Parkinson [14]. Alginat hiện nay được tập

trung nghiên cứu cho các tế bào sản xuất insulin để điều trị bệnh tiểu đường Type I

[48].

- Trong thực phẩm

Alginat được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện, bổ sung và ổn định kết

cấu bên ngoài của thực phẩm. Các ứng dụng này dựa trên các tính chất như làm

tăng độ nhớt, khả năng tạo gel và làm ổn định hỗn hợp với nước chống đông và nhũ

hóa. Trong sản xuất kem, axit alginic và muối của nó có thể dùng làm chất ổn định

trong kem ly, làm kem có mùi thơm, chịu nóng tốt, thời gian khuấy trộn lúc sản

xuất ngắn. Một sản phẩm chứa axit alginic có tên là Lamizell là muối kép của natri

và canxi với một tỷ lệ nhất định. Lamizell tạo ra một độ nhớt đặc biệt và có khả

năng kích thích ngon miệng, do đó rất được quan tâm trong thực phẩm.

Trong ứng dụng làm mứt, thạch, thực phẩm mùi hoa quả…, khả năng đồng

tạo gel giữa alginat giàu G và pectin este hóa cao có vai trò rất hữu ích. Hệ

alginat/pectin có thể tạo ra gel thuận nghịch, ngược với gel alginat có liên kết ngang

ion thuần túy [14, 31].

1.3. VẬT LIỆU COMPOZIT

Vật liệu compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn các vật liệu ban đầu.

1.3.1. Vật liệu compozit của HA và polyme

1.3.1.1. Tình hình nghiên cứu

Sự gia tăng lão hóa dân số cùng với các khuyết tật, bệnh lý về xương do tai

nạn lao động và giao thông, hiện tượng nhiễm trùng đã thúc đẩy việc nghiên cứu

chế tạo các vật liệu cấy ghép xương nhân tạo [29].

19

Xương tự nhiên được biết đến là một mô phức tạp gồm 70% HA và 30%

mạng lưới collagen loại I về khối lượng. Trong đó, các hạt HA phân bố có tổ chức

và đều đặn trong nền collagen. Trong xương tự nhiên, có mối liên kết giữa xương

với các mô sống xung quanh, chúng hoạt động như một khung xương có đủ độ bền

cơ học và kích thích phát triển hình thành mô xương mới. Điều này đòi hỏi một vật

liệu sinh học tiên tiến có chức năng như một mạng lưới tế bào tạm thời và có khả

năng xúc tác cho sự phát triển của tế bào gốc [46]. Vật liệu nano compozit

HA/polyme sinh học được coi là một vật liệu tiềm năng cho kỹ thuật mô. Do vậy,

sự quan tâm tập trung phát triển vật liệu sinh học compozit HA/polyme tạo ra vật

liệu có khả năng tái tạo cấu trúc phân cấp phức tạp của xương.

- Trên thế giới: Năm 1993, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ

(FDA) đã phê duyệt sản phẩm Collagraft được chế tạo trên cơ sở compozit

HA/tricanxi phosphate và collagen chiết xuất từ xương bò phối hợp với tủy xương

bệnh nhân. Các nghiên cứu cho thấy, khi kết hợp HA với các polyme, tính tương

thích sinh học giữ nguyên và tính chất cơ học được tăng lên. Nhiều nghiên cứu hiện

nay đang tập trung vào tổng hợp compozit này cho thấy đã đạt được những cải thiện

đáng kể về tính chất cơ học. Một nhóm nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Quốc gia

Lawrence Berkeley công bố đã phát triển được một sản phẩm compozit trên cơ sở

HA và poly 2-hydroethyl methacrylat. Dự kiến sản phẩm này sẽ có vai trò quan

trọng trong các bộ phận xương và răng cấy ghép, phát triển xương, liệu pháp chữa

khuyết tật xương. Trên cơ sở HA và collagen, một nhóm các nhà khoa học Nhật

Bản đã nghiên cứu thành công một loại xương nhân tạo có tính năng như vật liệu

dạng khối xốp, rất mềm và có thể dùng kéo cắt để định dạng theo ý muốn, dễ dàng

cấy ghép vào cơ thể.

- Ở nước ta: Vật liệu compozit HA/polyme là tương đối mới mẻ, có một số

nghiên cứu đã được công bố nhưng chưa có nhiều. Viện Hóa học - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã có một số kết quả được công bố như:

Năm 2009, đã nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit collagen/hydroxyapatit

bằng phương pháp đồng kết tủa cho mục đích ứng dụng trong y sinh học [8];

20

Năm 2012, đã tổng hợp được vật liệu compozit hydroxyapatit trên nền tinh

bột từ canxinitrat. Trong đó, compozit được chế tạo theo hai phương pháp là: điều

chế HA trực tiếp trong môi trường có tinh bột và phương pháp trộn cơ học HA với

tinh bột [9];

Từ năm 2013 đến nay, đã có một số bài báo được công bố về tổng hợp và

khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng của compozit hydroxyapatit/tinh bột, compozit

hydroxyapatit/maltodextrin bằng phương pháp kết tủa trực tiếp [33, 4].

1.3.1.2. Tính chất và ứng dụng

Bản chất của gốm xốp và màng HA có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để

tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm compozit bằng cách phân tán HA bột

vào các polyme sinh học như alginat, maltodextrin, tinh bột, collagen, chitosan,

xenlulo… Bên cạnh đó, sự có mặt của các polyme sẽ làm chất nền để các hạt HA

phân bố đồng đều hơn, giảm hiện tượng kết tập giữa các hạt. Mạng lưới cấu trúc của

các polyme hạn chế sự phát triển của tinh thể HA nên sản phẩm thu được có kích

thước hạt nhỏ hơn HA tinh khiết. Vật liệu ở dạng này có tính tương thích sinh học

cao hơn so với HA đơn thuần nên được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương

chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc.

Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia

công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác, các polyme này còn có khả năng

liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của nó. Đây cũng là ưu

điểm vượt trội của vật liệu compozit chứa HA [37].

Từ những năm 1980, Bonfield và các đồng nghiệp [50] đã phát triển

compozit của HA và polyethylen. Compozit này thể hiện giòn dẻo sự chuyển hóa

khi lượng thể tích HA vượt 40 - 45%. Nhưng chúng chỉ có hoạt tính sinh học ở pha

HA và polyethylen không phân hủy sinh học. Hơn nữa, sự có mặt của polyethylen

kị nước làm giảm khả năng liên kết với bề mặt xương.

Các vật liệu compozit của HA/collagen có tiềm năng cao cho mục đích thay

thế các mục đích thay xương do chúng giống xương về hoạt tính sinh học và khả

21

năng phân hủy sinh học. Các compozit này tương tự với xương tự nhiên về thành

phần nhưng chúng không thể có được trật tự cấu trúc phức tạp như xương. Mặc dù

các tính chất cơ học còn kém nhưng các compozit này tỏ ra có tính dẫn xương cao

và do vậy chúng là vật liệu tiềm năng cho kỹ thuật mô xương [25].

Gea và các đồng nghiệp [18] đã chế tạo các vật liệu compozit HA/chitin chứa

25%, 50% và 75% theo khối lượng HA. Các vật liệu compozit của HA/chitin cho

thấy không làm độc tế bào và có thể phân hủy sinh học.

Ito và các đồng nghiệp [22] đã chế tạo màng HA/chitosan và đánh giá các

tính chất vật lí của chúng. Tỷ lệ khối lượng HA/chitosan là 4/11 được công bố là có

chất lượng thích hợp tối ưu về mặt co ngót, tính co dãn, độ cứng, khả năng nhả ion

canxi…

Gần đây, các nghiên cứu về sự ứng dụng của compozit giữa polyme sinh học

với hợp chất vô cơ để kiểm soát truyền dẫn thuốc đang thu hút nhiều sự chú ý vào

cấu trúc độc đáo và đặc tính của chúng. Hiệu quả tổng hợp các polyme sinh học và

vật liệu vô cơ cũng như sự tương tác bề mặt mạnh mẽ thông qua tương tác tĩnh điện

và liên kết hyđro có thể cải thiện tính chất cơ lý, hiệu quả truyền dẫn và nhả chậm

thuốc.

1.3.1.3 . Phương pháp điều chế

Phương pháp compozit nói chung cũng được sử dụng để chế tạo các vật liệu

dạng khối xốp chứa HA. Ở phương pháp này, HA được sử dụng thường ở dạng hạt

và chất nền là các phân tử polyme. Sự kết hợp của hạt HA với polyme ở dạng vật

liệu compozit là một phương thức đơn giản và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của

hai loại vật liệu ban đầu này. Có thể sử dụng các polyme như: polystiren, polyetilen,

alginat, collagen, chitosan, xenlulo… Trong đó, các polyme sinh học được đặc biệt

quan tâm trong lĩnh vực y sinh vì chúng có tính tương thích và phân hủy sinh học

cao.

- Các phương pháp thường dùng điều chế compozit HA/polyme như sau:

22

+ Phương pháp cơ nhiệt: Quá trình kết hợp HA ở dạng hạt và dạng gốm

xốp vào polyme được tiến hành bằng các kĩ thuật chế tạo nhựa thông thường. Quá

trình chế tạo bao gồm các giai đoạn pha trộn, nghiền, gia nhiệt và nén hoặc đúc

phun ép.

+ Phương pháp hóa lý: Kết tủa các tinh thể HA ngay trong môi trường

polyme hoặc phân tán chúng trong dung dịch polyme kèm theo quá trình hóa cứng.

Đây là quá trình tạo các hạt nano HA trong sự có mặt của các polyme hữu cơ bằng

cách đồng hòa tan, đồng kết tủa. Đây là một trong những cách thức được áp dụng

nhiều nhất vì nó tránh được sự kết hợp HA thành các hạt lớn. Trong phương pháp

trực tiếp HA, người ta sử dụng từ các loại hợp chất khác nhau, bao gồm Ca(NO3)2,

Na3PO4, (CH3COO)2Ca, H3PO4, Na2HPO4, CaCl2, Ca(OH)2…

Như vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA nói trên đang

được tiến hành theo hai hướng chính. Hướng thứ nhất là tổng hợp HA ở dạng bột

với kích thước khác nhau, sau đó phân tán HA vào mạng lưới polyme bằng phương

pháp cơ học hoặc phương pháp siêu âm. Hướng thứ hai là tổng hợp trực tiếp HA

trong mạng lưới polyme. Theo phương pháp này, các ion Ca2+, PO43- và OH- được

phân tán đều và phản ứng để tạo thành các tinh thể HA kích thước nano trong mạng

lưới polyme.

Các kết quả khảo sát cho thấy, giữa polyme và HA có tạo thành dạng liên kết hoá học nào đó và các polyme có tác dụng chống lại hiện tượng kết tập của các tinh thể HA kích thước nano. Tuy vậy, hình dạng, kích thước, độ tinh thể cũng như trạng thái phân tán và bản chất của liên kết giữa polyme và tinh thể HA vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Mặt khác, khả năng hình thành vật liệu compozit giữa HA với một số polyme tự nhiên như: polymantozơ từ tinh bột ngũ cốc, polysaccarit chiết tách từ rong biển… vẫn còn ít được đề cập đến.

Dưới đây là một số quá trình tổng hợp compozit giữa HA và polyme:

- Tóm tắt quá trình tổng hợp compozit của HA với chitosan (CS) theo

phương pháp kết tủa trực tiếp [15]:

23

Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA - CS

Theo [15], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng CS

sẽ tốt hơn, do đó kích thước của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn, đồng thời độ kết

tinh của HA cũng tăng lên.

- Việc tổng hợp vật liệu compozit giữa HA và maltodextrin từ Ca(OH)2 và

H3PO4 có thể được thực hiện theo hai phương pháp:

+ Phương pháp một giai đoạn: phân tán Ca2+ vào dung dịch maltodextrin, sau

đó đưa ion PO43- và OH- theo tỉ lệ hợp thức vào phản ứng với Ca2+ để tạo kết tủa

HA trong sự có mặt của maltodextrin.

+ Phương pháp hai giai đoạn: thực hiện phản ứng tạo HA giữa các ion Ca2+ với

PO43- và OH- theo tỉ lệ mol Ca/P là 1,67, sau đó phân tán HA vào mạng lưới

maltodextrin.

1.3.2. Vật liệu compozit của HA và alginat (HA/Alg)

Các loại compozit từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA được

quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xương thay thế với tính chất sinh

24

học và cơ học tốt hơn. Vật liệu sinh học tự nhiên gồm collagen, gelatin, chitosan,

alginat, tơ sợi… đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong y sinh học. Trong số

đó, alginat được chú ý do là polyme ưa nước, không độc tính, có tương thích sinh

học và giá thành phù hợp. Với những đặc tính đó, alginat được sử dụng rộng rãi làm

chất nền trong công nghệ mô, xương, sụn, da… [46, 24].

Gần đây, vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA được phát triển như một

hệ thống truyền dẫn thuốc, kháng sinh và kháng nấm, phẫu thuật chỉnh hình, nha

khoa… [55]. Sự có mặt HA cùng với alginat làm tăng sự gắn kết tế bào bên trong và

cung cấp sự lựa chọn thích hợp khung xương cho kỹ thuật mô. Một số nghiên cứu

đã chế tạo compozit HA/Alg làm chất độn xương thông qua các kỹ thuật khác nhau

như tách pha, phun giọt, hoặc phân tán trong polyme [29].

Compozit HA/Alg hình thành là kết quả sự phân tán trực tiếp hạt HA vào

chuỗi polyme alginat, nó được sử dụng như một khung đỡ cho sự phát triển của

xương và mô. Compozit HA/Alg có cơ tính tốt được phát triển bằng cách kết hợp

bột HA với alginat liên kết ngang ion với canxi. Các đặc tính cơ học có thể tăng

cùng với sự tăng của hàm lượng alginat [36]. Điều chế compozit HA/Alg từ hạt HA

hình cầu với alginat đảm bảo vật liệu thay thế xương được giữ lại ở vị trí cấy ghép

tránh sự nhiễm trùng về sau.

Để tạo ra vật liệu phù hợp với mục đích nêu trên, các compozit HA/Alg được

chế tạo với hàm lượng khác nhau được bằng phương pháp kết tủa trực tiếp. Sau đó,

khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat qua các đặc trưng hình thái học của tinh

thể HA, sự tương tác hóa học giữa HA và alginat, cũng như các vi cấu trúc của vật

liệu compozit. Nghiên cứu này đưa ra hướng mới tạo ra compozit trên cơ sở HA và

alginat ứng dụng để sửa chữa và tái tạo xương.

Ngoài ra, compozit HA/Alg còn được chế tạo bằng các phương pháp khác

nhau. Lin và Yeh chế tạo một sản phẩm dạng xốp giữa gel canxi alginat liên kết

ngang với HA kích cỡ nanomet bằng phương pháp đông khô. Thêm HA vào trong

thành phần làm tăng độ nén và gắn tế bào xương với alginat tinh khiết [46]. Chế tạo

gel compozit HA/collagen/alginat từ hỗn hợp bột HA, collagen và dung dịch

25

alginat. Xương hình thành từ hỗn hợp gel này thử nghiệm trong xương đùi chuột

[45]. Người ta cũng nghiên cứu quá trình hình thành compozit HA/Alg dạng sợi

(đường kính khoảng 10 µm) thông qua dung dịch natri alginat pha trộn với tinh thể

HA được chiết suất từ xương đùi lợn trong dung dịch CaCl2.

Đặc điểm chung quá trình tổng hợp compozit HA/Alg bằng phương pháp

trộn cơ học thông thường là sự tham gia của Ca2+ liên kết ngang với alginat. Tuy

nhiên, sự liên kết bề mặt giữa pha vô cơ và polyme trong vật liệu này vẫn còn nhiều

vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu.

1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT

1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction, XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của

vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể

và kích thước hạt với độ tin cậy cao [7].

Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X: Chiếu tia X vào tinh thể,

khi đó các nguyên tử bị kích thích và trở thành các tâm phát sóng thứ cấp. Các sóng

thứ cấp này (tia X, điện tử, nơron) triệt tiêu với nhau theo một phương và tăng

cường nhau theo một số phương tạo nên hình ảnh giao thoa. Hình ảnh này phụ

thuộc vào cấu trúc tinh thể. Từ việc phân tích hình ảnh đó, ta có thể biết được cách

sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng. Qua đó xác định được cấu trúc mạng tinh thể,

các pha cấu trúc trong vật liệu…

Phương trình nhiễu xạ Bragg: Một cách giải thích đơn giản về hiện tượng

nhiễu xạ và được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết nhiễu xạ tia X trên tinh thể, đó là

lý thuyết nhiễu xạ Bragg. Theo đó, ta coi mạng tinh thể là tập hợp của các mặt

phẳng song song cách nhau một khoảng d. Khi chiếu tia X vào bề mặt, do tia X có

khả năng đâm xuyên mạnh nên không chỉ những nguyên tử bề mặt mà cả những

nguyên tử bên trong cũng tham gia vào quá trình tán xạ.

26

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X

Điều kiện có cực đại giao thoa (phương trình Vulf-Bragg):

n.λ = 2.d.sinθ (1.10)

Trong đó, n là bậc phản xạ (số nguyên dương), λ là bước sóng của tia tới, d

là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, θ là góc giữa chùm tia X.

Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Trên giản

đồ căn cứ vào giá trị cực đại (giá trị 2θ) có thể tính được d theo phương trình (1.10).

Bằng phương pháp này chất cần nghiên cứu sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh

thể.

Ngoài việc xác định cấu trúc, phương pháp XRD còn cho phép xác định kích

thước của tinh thể. Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước tinh thể trung

bình của tinh thể theo phương trình:

D = k.λ /B.cosθ (1.11)

D là kích thước tinh thể trung bình (nm), θ là góc nhiễu xạ, B là độ rộng vạch

nhiễu xạ đặc trưng (radian) lấy giá trị bằng nửa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2θ =

25,88o đối với HA), λ = 1,5406 Å là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ

thuộc vào hình dạng của tinh thể và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA lấy

k = 0,9).

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, độ tinh thể được tính toán theo phương pháp phân

giải vạch, theo công thức.

C = .100% (1.12)

27

Trong đó: C là độ tinh thể của bột HA;

Y là chiều cao của pic đặc trưng (với HA, thường chọn pic có chỉ

số Miller 300);

X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic có chỉ số

Miller 300 và 112).

Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA

1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared

Spectrophotometer, FTIR)

Để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu thường dùng phương

pháp phổ hồng ngoại (FTIR). Trên phổ dựa vào các tần số đặc trưng của các nhóm

chức trong phân tử mà có thể xác định sự có mặt của các nhóm chức đó có trong

mẫu. Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng

ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chức đều bị

kích thích. Phổ dao động - quay của phân tử được phát sinh do sự chuyển dịch giữa

các mức năng lượng dao động và quay. Dạng năng lượng được sinh ra khi chuyển

dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hóa, nghĩa là chỉ có thể biến thiên một cách

gián đoạn. Hiệu số năng lượng được tính theo công thức Bohr:

ΔE = hν (1.13)

Trong đó: ΔE là biến thiên năng lượng;

h là hằng số Planck;

ν là tần số dao động.

28

Bằng phương pháp FTIR, compozit HA/alginat được phân tích để xác định

sự có mặt của các nhóm chức đặc trưng cho cả HA và alginat. HA có 2 nhóm chức

là OH- và PO43-, alginat có nhóm OH-, COO-, -C-O-C-. Ngoài ra trong mẫu có thể

có các nhóm khác như CO32-, HPO4

2-.

1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử

1.4.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy,

SEM)

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng chùm điện tử quyét lên bề mặt mẫu

và thu nhận lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lí chùm tia phản xạ này, có thể thu

được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu.

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM

Phương pháp SEM này cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn từ

hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần. Chùm điện tử được tạo ra qua hai tụ quang rồi

sẽ được hội tụ lên mẫu cần nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện

tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và

biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuyếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển

tạo độ sáng trên màn hình.

Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên

màn hình phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu đồng thời còn phụ

29

thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm là không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu

quá phức tạp, có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét [1].

1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron

Microscopy, TEM)

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần

nghiên cứu. Vì thế, các mẫu đưa vào cần phải đủ mỏng để chùm điện tử xuyên qua.

Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử

Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai sung phóng điện tử sẽ được hội tụ lên

mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử

phản xạ và điện tử truyền qua. Chùm tia điện tử truyền qua này được đi qua điện thế

gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu sáng, tín hiệu này được khuyếch

đại rồi được đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn ảnh. Mỗi

điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh, độ sáng tối phụ thuộc vào

lượng điện tử phát ra tới bộ thu.

Thấu kính điện tử đặt bên trong hệ đo là bộ phận giúp phóng đại của phương

pháp TEM. Thấu kính này có khả năng thay đổi được tiêu cự. Khi tia điện tử có

bước sóng cỡ 0,4 nm chiếu lên mẫu ở hiệu điện thế khoảng 100 kV, ảnh thu được

cho biết chi tiết hình thái học của mẫu theo độ tương phản tán xạ và tương phản

nhiễu xạ và qua đó có thể xác định được kích thước hạt một cách khá chính xác [3].

1.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA)

Phương pháp phân tích nhiệt là một trong những phương pháp hóa lý thường

được dùng để phân tích cấu trúc của vật liệu, cung cấp cho ta những thông tin về

tính chất nhiệt của vật liệu.

30

Trên giản đồ phân tích nhiệt có nhiều đường khác nhau, thông thường người

ta quan tâm tới 2 đường cong quan trọng là đường DTA và đường TGA. Đường

DTA cho biết khi nào có hiệu ứng thu nhiệt (cực tiểu trên đường cong), khi nào có

hiệu ứng phát nhiệt (cực đại trên đường cong). Từ đường TGA có thể biết biến thiên

khối lượng mẫu trong quá trình gia nhiệt. Mỗi quá trình biến đổi hóa học như các

phản ứng pha rắn, sự phân hủy mẫu hay các biến đổi vật lí như sự chuyển pha

thường đều có một hiệu ứng nhiệt tương ứng. Các quá trình trên có thể kèm theo sự

thay đổi khối lượng của mẫu chất nghiên cứu, ví dụ quá trình thăng hoa, bay hơi

hay các phản ứng phân hủy, hoặc không đi kèm với sự thay đổi khối lượng mẫu như

quá trình chuyển pha, phá vỡ mạng tinh thể,… Dựa vào việc tính toán các hiệu ứng

mất khối lượng và các hiệu ứng nhiệt tương ứng mà ta có thể dự đoán được các giai

đoạn cơ bản xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của mẫu [6].

31

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất

2.1.1. Dụng cụ:

- Bình cầu hai cổ 500 ml;

- Pipet 2 ml, 10 ml;

- Ống đong 100 ml;

- Bình nhỏ giọt để điều chỉnh tốc độ;

- Đũa thủy tinh, thìa cân, quả bóp, con từ;

- Giấy đo pH vạn năng;

- Nhiệt kết thủy ngân 100oC;

- Cốc thủy tinh 100, 200, 250 ml;

- Ống li tâm loại 50 ml;

- Cối, chày mã não.

2.1.2. Thiết bị:

- Cân điện tử có độ chính xác ± 10-4 g;

- Máy khuấy từ gia nhiệt;

- Bể siêu âm tần số 46 kHz, công suất 200 W;

- Máy ly tâm;

- Bộ khuấy cơ;

- Tủ sấy;

- Thiết bị đông khô.

2.1.3. Hóa chất:

Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại P (Trung Quốc);

Canxi hidroxit Ca(OH)2, loại P (Trung Quốc);

Alginat: sản phẩm loại sạch được tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam) do

Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang cung cấp;

32

Cồn tinh khiết 96o (Việt Nam).

2.2. Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg

Compozit giữa HA và alginat được tổng hợp theo sơ đồ bố trí thí nghiệm

được trình bày trên hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg

Quy trình thực nghiệm được trình bày trên hình 2.2. Các thí nghiệm được

tiến hành ở quy mô tạo ra khoảng 2 g compozit HA/Alg.

Mô tả thí nghiệm: Huyền phù Ca(OH)2 và dung dịch H3PO4 được chuẩn bị

trong nước cất với nồng độ cùng là 0,1 M. Hòa tan alginat vào nước cất với hàm

lượng 2% (w/v). Dung dịch H3PO4 và dung dịch alginat được nhỏ đồng thời từng

giọt vào huyền phù Ca(OH)2 trên máy khuấy từ. Hỗn hợp phản ứng được khuấy và

gia nhiệt bằng máy khuấy từ đến nhiệt độ cần nghiên cứu, duy trì tại nhiệt độ đó

trong toàn bộ thời gian phản ứng. Nhiệt độ thí nghiệm được đo bằng nhiệt kế thủy

ngân. Khi nhỏ hết các dung dịch trên, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 4 giờ. Sau đó,

cho thêm vào hỗn hợp một thể tích tương tự etanol để đồng kết tủa alginat và HA,

khuấy tiếp 15 phút. Hỗn hợp để qua đêm, rồi đem ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút

để thu sản phẩm compozit HA/Alg. Sau đó, làm khô trong tủ sấy ở 45oC trong 48

giờ rồi nghiền mịn.

33

Khuấy 1 giờ

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg

2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm

2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat

Các mẫu compozit HA/Alg với các hàm lượng khác nhau của HA (10, 30, 50

và 70 wt.%) có ký hiệu tương ứng HA-10, HA-30, HA-50, HA-70.

Các thí nghiệm được tiến hành ở các điều kiện sau:

Nhiệt độ : 30oC

Tốc độ khuấy : 300 - 350 vòng/phút;

Tốc độ cấp axit : 2 ml/phút;

Nồng độ dung dịch H3PO4 : 0,1 M;

Nồng độ huyền phù Ca(OH)2 : 0,1 M.

Các bước thực hiện được tiến hành theo quy trình mô tả ở 2.2.

Ca(OH)2 H2O

Dung dịch huyền phù

Dung dịch Alginat

Kết tủa

Già hóa 4h

Cồn 96o

Ly tâm

Sấy khô, nghiền mịn

Dung dịch H3PO4

34

Sản phẩm compozit được đánh giá bằng các phương pháp XRD, FTIR, SEM,

TEM, DTA-TGA.

2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Các thí nghiệm được tiến hành thực hiện ở các nhiệt độ:

Thí nghiệm T1: 10oC;

Thí nghiệm T2: 30oC;

Thí nghiệm T3: 50oC.

Các thông số khác (tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit, dung môi) được duy trì

như mục 2.3.1.

Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR, SEM.

2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit

Tốc độ cấp axit của các thí nghiệm được thực hiện như sau:

Thí nghiệm S1: 0,67 ml/phút;

Thí nghiệm S2: 2 ml/phút;

Thí nghiệm S3: 6 ml/phút;

Thí nghiệm S4: Rót nhanh toàn bộ lượng axit vào (tốc độ rất lớn).

Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ 30oC, các thông số khác (nồng độ,

tốc độ khuấy, dung môi) được duy trì như mục 3.2.1.

Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR.

Sử dụng các phương pháp XRD, FTIR để đánh giá sản phẩm thí nghiệm.

2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi

Các thí nghiệm được tiến hành ở 30oC trong các dung môi: nước, hỗn hợp

etanol + nước, etanol.

Thí nghiệm D1: Các chất phản ứng được pha trong nước;

Thí nghiệm D2: Các chất phản ứng được pha trong hỗn hợp etanol + nước, tỷ

lệ 1:1 về thể tích;

35

Thí nghiệm D3: Các chất phản ứng được pha trong etanol.

(Trong 3 thí nghiệm trên, alginat đều được pha trong nước do nó không hòa tan

trong etanol).

Các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, tốc độ khuấy) được duy trì như

mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR, SEM.

2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa

Các thí nghiệm được tiến hành thực hiện ở các thời gian:

Thí nghiệm t1: 0 giờ;



Thí nghiệm t4: 16 giờ.

Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit,

tốc độ khuấy) được duy trì như mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các

phương pháp: XRD, FTIR.

2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn

Tiến hành khảo sát tốc độ khuấy trộn ở ba mức độ như sau:

Thí nghiệm V1: 100 - 150 vòng/phút;

Thí nghiệm V2: 300 - 350 vòng/phút;

Thí nghiệm V3: 450 - 500 vòng/phút.

Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit,

dung môi) được duy trì như mục 3.2.1.

Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR.

2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm

Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của làm khô sản phẩm ở hai điều kiện như

sau:

Phương pháp sấy nhiệt: Sản phẩm được làm khô ở 45oC trong tủ sấy, ký hiệu

HA-10, HA-50;

36

Phương pháp đông khô: Sản phẩm được làm khô trong máy đông khô, ký

hiệu HA-Đ10, HA-Đ50.

Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy,

tốc độ cấp axit) được duy trì như mục 3.2.1.


2.3.8. Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm

Bình phản ứng điều chế compozit HA/Alg được đặt trong bể siêu âm với tần

số 46 kHz, công suất 200 W. Hỗn hợp phản ứng được khuấy bằng máy khuấy cơ.

Nhiệt độ phản ứng được duy trì ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ

cấp axit, tốc độ khuấy) được giữ nguyên như mục 3.2.1.

Thí nghiệm P1: Không có sóng siêu âm;

Thí nghiệm P2: Có sóng siêu âm.


2.4. Chuẩn bị mẫu phân tích

Các sản phẩm sau khi được làm khô hoàn toàn, sau đó nghiền mịn bằng cối

mã não. Các mẫu được đo bằng phương pháp sau:

2.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)

Các mẫu được đo XRD trên máy SIEMENS D5005 Bruker (Đức), tại Viện

Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ở các điều kiện

như sau: Bức xạ Cu - Kα có bước sóng λ = 1,5406 Å, cường độ dòng điện 30 mA,

điện áp 40 kV, góc quét 2θ = 10 ÷ 70, tốc độ quét 0,030o/giây.

2.4.2. Phổ hồng ngoại (FTIR)

Phổ FTIR của các mẫu được ghi trên máy IMPAC 410 - Nicolet (Mỹ), tại

Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các mẫu được

nén thành viên với KBr theo tỉ lệ (1:100), được đo trong khoảng từ 400 đến 4000

cm-1.

37

2.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM)

Ảnh SEM của các mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi

S4800 (Nhật Bản) tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam. Do HA có độ dẫn điện kém nên trước khi đo các mẫu được phủ

platin trong chân không để tăng độ nét của ảnh SEM.

2.4.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Ảnh TEM của mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử truyền qua JEM -

1010 (Nhật Bản) tại Phòng Hiển vi điện tử (Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương).

2.4.5. Phân tích nhiệt (DTA-TGA)

Đặc trưng nhiệt (DTA-TGA) được thực hiện trên thiết bị phân tích nhiệt

Labsys Evo, Setaram (Pháp) tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công

nghệ Việt Nam.

38

CHƯƠNG III.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Quy trình tổng hợp compozit HA/Alg

Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn phương pháp tổng hợp compozit

HA/alginat bằng phương pháp kết tủa trực tiếp từ Ca(OH)2 và H3PO4 trong dung

dịch nước chứa alginat. Quá trình tạo thành HA xảy ra theo phản ứng sau:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O

HA kết tủa tốt trong môi trường trung tính và kiềm nhẹ. Phản ứng kết tủa

giữa ion Ca2+, PO43- và OH- tạo thành Ca10(PO4)6(OH)2 được ưu tiên cao và xảy ra

rất nhanh do HA có tích số tan rất nhỏ (THA= 10-128) và ΔG của phản ứng ở 30oC có

giá trị rất âm (≈ -813 kJ/mol). Do alginat được cung cấp riêng rẽ và đồng thời với

H3PO4 vào hỗn hợp huyền phù chứa Ca(OH)2 nên các chất tham gia và sản phẩm

phản ứng không ảnh hưởng nhiều đến alginat.

Tổng hợp compozit HA/Alg theo phương pháp kết tủa trực tiếp như trên tạo

điều kiện thuận lợi cho sự hình thành tương tác hóa học giữa HA và alginat. Trong

đó, nhóm ion photphat và hydroxyl của HA có thể tạo liên kết với các nhóm chức

của alginat. Alginat được sử dụng làm chất nền, đồng thời hạn chế sự phát triển kích

thước và hiện tượng kết tập của HA.

Ngoài ra, ưu điểm của phương pháp là có thể khống chế các thông số phản

ứng để thu được sản phẩm compozit chứa HA có chất lượng như mong muốn. Sự có

mặt của alginat trong sản phẩm sẽ làm cho các hạt HA phân bố đồng đều hơn. Bản

chất của phương pháp là đi từ các tiểu phân rất nhỏ, dạng ion trong dung dịch để tạo

thành sản phẩm kết tủa. Do vậy, thay đổi các điều kiện như hàm lượng alginat, nhiệt

độ, thời gian già hóa,… có thể kiểm soát được sự phát triển, hình dạng và độ tinh

thể của sản phẩm. Phương pháp sử dụng các hóa chất cơ bản, dễ tìm, thiết bị và quy

trình thực hiện tương đối đơn giản.

39

Để so sánh, HA đơn pha được tổng hợp theo sơ đồ và quy trình thí nghiệm

như trên trong dung môi nước không chứa alginat.

3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của

compozit HA/Alg

3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng alginat

a. Kết quả XRD

Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat khác nhau

Trên các giản đồ đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA

(JCPDS 24 - 0033), không thấy sự có mặt của các pha lạ. Vạch có cường độ mạnh

nhất ở vị trí 2θ = 31,8o tương ứng với mặt phẳng (211) và hai vạch có cường độ gần

như nhau ở 32,2o và 32,9o tương ứng với các mặt (112) và (300). Ngoài ra, còn có

các vạch với cường độ tương đối mạnh ở các vị trí 25,9; 39,8; 46,7 và 49,45o. Sự có

mặt của alginat trong compozit không cản trở sự hình thành HA đơn pha và không

làm thay đổi đáng kể vị trí các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA. Điều này chứng tỏ

sản phẩm chỉ chứa HA đơn pha.

40

Từ giản đồ XRD và áp dụng các công thức tính (1.11) và (1.12) ta có thể xác

định kích thước trung bình của tinh thể, độ tinh thể của HA. Kết quả được trình bày

trong bảng 3.1.

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến kích thước của HA trong compozit

Kí hiệu

mẫu

D (nm)

theo Scherrer

Độ tinh thể

(%)

HA đơn pha 29,03 52

HA-70 21,74 32,8

HA-50 18,48 29,73

HA-30 15,09 16,8

HA-10 Không xác định được Không xác định được

Từ kết quả ở bảng 3.1 cho thấy, hạt HA trong compozit có kích thước khá

nhỏ từ 15 đến 22 nm. Khi hàm lượng HA giảm xuống (hàm lượng alginat tăng lên),

các vạch đặc trưng trở nên không tách biệt rõ rệt và có cường độ giảm xuống, đồng

thời độ rộng của chúng tăng lên, tương ứng với kích thước và độ tinh thể của HA

giảm. Đối với mẫu HA-10, không xác định được kích thước hạt và độ tinh thể do

cường độ vạch khá thấp và độ rộng vạch lớn, các vạch nhiễu xạ không tách thành

các vạch riêng biệt. Điều này chứng tỏ HA trong mẫu HA-10 thu được có độ tinh

thể kém. Chính mạng lưới cấu trúc của alginat đã hạn chế sự phát triển về kích

thước và độ tinh thể của hạt HA. Điều này cũng phù hợp với quy luật chung là sự có

mặt của polyme đã ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể HA.

b. Ảnh SEM và ảnh TEM

Ảnh SEM của mẫu HA đơn pha, alginat, các compozit HA/Alg được trình

bày trên hình 3.2.

41

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

Quan sát các ảnh SEM trên hình 3.2 cho thấy, sự có mặt của alginat không

chỉ ảnh hưởng đến kích thước hạt trung bình mà còn ảnh hưởng đến hình dạng của

hạt HA. Khi hàm lượng alginat tăng, kích thước và sự phân bố của các hạt HA có sự

thay đổi. Vật liệu compozit HA/Alg tồn tại ở dạng hạt và các hạt có thể kết tập

thành khối.

Mẫu HA đơn pha (hình 3.2a): Tinh thể HA tồn tại ở dạng hình que, với biên

hạt rõ nét. Kích thước hạt khá đồng đều, đường kính dưới 40 nm, dài khoảng 70 -

120 nm.

42

Mẫu HA-70 (hình 3.2b): Tinh thể HA vẫn ở dạng hình que. Biên hạt

compozit không rõ nét do có lớp vỏ alginat, các hạt kết dính thành từng đám có kích

thước không đồng đều. Đường kính của hạt khoảng 15 - 20 nm, dài 60 - 90 nm.

Mẫu HA-50 (hình 3.2c): Các tinh thể HA chủ yếu tồn tại dạng hình que và

phân bố đều trên chất nền alginat. Các hạt compozit có đường kính khoảng 25 - 30

nm, chiều dài 100 - 140 nm, lớn hơn so với mẫu HA-70, có thể do hiện tượng kết

dính của các lớp vỏ alginat.

Mẫu HA-30 (hình 3.2d): Các tinh thể HA chuyển sang dạng gần cầu và phân

bố lẫn trong lớp vỏ alginat. Biên hạt compozit không rõ nét, chúng kết dính với

nhau và có kích thước khoảng 30 - 100 nm.

Mẫu HA-10 (hình 3.2e): Với hàm lượng alginat rất lớn, các hạt HA có kích

thước nhỏ nằm lẫn trong khối alginat. Chúng được bao phủ hoàn toàn bởi bề mặt

lớp vỏ alginat. Compozit này tồn tại ở dạng khối.

Mẫu alginat (hình 3.2f): Tồn tại dạng khối vô định hình có nhiều nếp gấp,

không tồn tại các biên trong khối.

Kết quả ảnh TEM của mẫu HA đơn pha và mẫu compozit HA/Alg (mẫu HA

- 50) thể hiện trong hình 3.3.

Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50

Quan sát ảnh TEM trên hình 3.3 cho thấy, trong mẫu compozit HA/Alg (hình

3.3b), các hạt HA kích thước nanomet phân bố đều trong chất nền alginat. Bề mặt

các hạt HA được phủ một lớp mỏng alginat và sự có mặt của alginat đã hạn chế hiện

tượng kết tập giữa các hạt hơn so với mẫu HA đơn pha.

43

Như vậy, sự có mặt của alginat đã làm thay đổi kích thước và sự phân bố của

các hạt HA trong compozit. Alginat như một chất nền để các hạt HA kết tủa và

phân tán đồng đều. Tùy thuộc vào hàm lượng, alginat làm thay đổi hình dạng của

tinh thể, kìm hãm sự phát triển kích thước và làm giảm độ tinh thể của HA.

c. Kết quả FTIR

Phổ FTIR của HA đơn pha, alginat và các compozit HA/Alg được trình bày

trên hình 3.4.

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

44

Như đã biết, HA có 2 nhóm chức là OH- và PO43-, alginat có nhóm OH-,

COO-, -C-O-C-. Trên phổ của HA đơn pha (hình 3.4a), các dải hấp thụ ở vị trí 1064

đến 959 cm-1 và 599 cm-1 đặc trưng cho các dao động nhóm PO43-. Trên phổ của

alginat (hình 3.4f), các dải hấp thụ ở vị trí 1633 đến 1601 cm-1 và 1414 cm-1 đặc

trưng cho các dao động không đối xứng và đối xứng tương ứng của nhóm COO-,

còn dải hấp thụ ở vị trí 1092 cm-1 được gán cho nhóm -C-O-C- (ete vòng). Đối với

compozit đều xuất hiện các dải đặc trưng cho HA và alginat. Vùng từ 3410 đến

3355 cm-1 được gán cho dao động của nhóm OH- trong cấu trúc của HA, alginat và

compozit. Dải hấp thụ ở vùng 2916 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm -CH2-

trong alginat và compozit. Ngoài ra, các dải ở 1422 và 828 cm-1 xuất hiện trong phổ

của HA đơn pha và compozit được quy cho các ion cacbonat như CO32-, HCO3

-.

Các ion này có mặt trong HA và compozit có thể là do sự hấp thụ khí CO2 trong

không khí trong quá trình điều chế sản phẩm. Dải phổ ở 1636 cm-1 đặc trưng cho

dao động của H2O tự do trong HA. Dải này xuất hiện sắc nét hơn từ 1601 - 1609

cm-1 với hàm lượng alginat khác nhau trong compozit, có thể quy cho sự chồng

chéo nhóm H2O của HA và COO- của alginat. Ngoài ra, sự chuyển dịch từ 1422 cm-

1 về số sóng thấp hơn 1416 - 1414 cm-1 trong compozit cho thấy tồn tại tương tác

hóa học nhất định giữa Ca2+ và nhóm COO- của alginat. Như vậy, sự thay đổi nhẹ

về vị trí và cường độ các dải hấp thụ của HA và alginat trong compozit chứng tỏ đã

có sự tương tác giữa tinh thể HA và alginat [36].

d. Phân tích nhiệt (DTA-TGA)

Kết quả phân tích nhiệt (DTA-TGA) với tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút trong

N2 của các mẫu compozit là tương tự nhau. Hình 3.5 là giản đồ phân tích nhiệt của

mẫu compozit HA-50.

45

Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA-50

Đường DTA có đỉnh thu nhiệt yếu tại 103oC do hiện tượng mất nước ẩm và

đỉnh tỏa nhiệt tại 319oC được quy cho sự phân hủy nhiệt của compozit. Quá trình

giảm khối lượng của mẫu được thể hiện trên đường TGA, gồm 3 giai đoạn. Giai

đoạn thứ nhất từ nhiệt độ phòng đến 165oC ứng với đỉnh thu nhiệt đầu tiên trên

DTA, khối lượng mẫu giảm 13,493% do hiện tượng mất nước ẩm. Giai đoạn thứ 2

từ 165 đến 355oC tương ứng với đỉnh tỏa nhiệt trên DTA, khối lượng mẫu giảm

21,198% do các quá trình cháy và phân hủy nhiệt alginat. Trong giai đoạn thứ 3, từ

335 đến 800oC, khối lượng mẫu giảm nhẹ và từ từ (7,084%) được gán cho sự phân

hủy nhiệt tiếp tục của alginat đến cacbon và của các gốc cacbonat có trong mẫu.

Nguyên nhân có thể do mẫu HA-50 được đo trong môi trường N2 nên khối lượng

mẫu chỉ giảm khoảng 42%. Sản phẩm còn lại là HA và alginat không phân hủy

hoàn toàn ở dạng cacbon.

46

Các kết quả khảo sát bẳng XRD, SEM, TEM và FTIR cho thấy, tinh thể HA

trong compozit tồn tại dạng đơn pha, có kích thước cỡ nanomet. Giữa HA và alginat

có tương tác hóa học giữa các nhóm chức của HA và nhóm chức của alginat.

Hàm lượng alginat 50% được lựa trọn trong các thí nghiệm tiếp theo để khảo

sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm compozit HA/Alg.

3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

a. Kết quả phân tích XRD

Giản đồ XRD được chỉ ra ở hình 3.6

Hình 3.6: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau

Trên các giản đồ chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của không thấy

sự có mặt của pha lạ, chứng tỏ sản phẩm HA đơn pha. Các vạch đặc trưng dần tách

biệt khỏi nhau và có cường độ tăng lên, đồng thời độ rộng của các vạch đặc trưng

giảm. Điều đó chứng tỏ, nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến việc hình thành cấu trúc tinh

thể của HA.

Từ giản đồ XRD, áp dụng các công thức (1.11) và (1.12), xác định được kích

thước hạt trung bình và độ tinh thể của HA. Kết quả được trình bày trong bảng 3.2.

47

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của HA trong compozit HA/Alg

Ký hiệu mẫu

Nhiệt độ (oC)

D (nm) theo Scherrer

Độ tinh thể (%)

T1 10oC 9,48 18,71

T2 30oC 18,48 29,73

T3 50oC 22,58 31,57

Kết quả ở bảng 3.2 cho thấy, khi tăng nhiệt độ phản ứng, kích thước và độ

tinh thể của HA tăng lên. Ở 10oC, sản phẩm thu được có kích thước khá nhỏ (9,48

nm), độ tinh thể thấp (18,71%) theo tính toán. Ở nhiệt độ từ 30oC đến 50oC, kích

thước tinh thể và độ tinh thể tăng nhẹ. Khi nhiệt độ tăng làm tốc độ phản ứng và tốc

độ tạo mầm tăng dẫn đến số mầm tinh thể cũng tăng lên. Mặt khác, nhiệt độ tăng

làm cho tốc độ phát triển tinh thể tăng. Do ở cùng tốc độ khuấy trộn, nhiệt độ càng

cao, độ nhớt của dung dịch phản ứng càng giảm, điều này dẫn đến cường độ khuấy

thực trong dung dịch sẽ lớn hơn. Số lượng và tốc độ của các ion được vận chuyển

đến bề mặt mầm HA ban đầu tăng lên làm cho kích thước tinh thể tăng lên.

b. Kết quả ảnh SEM

Hình 3.7: Ảnh SEM của mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ (a) 30oC và (b) 50oC

Quan sát ảnh SEM của các mẫu cho thấy, nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng

đến kích thước hạt trung bình và độ phân tán của sản phẩm. Khi tăng nhiệt độ, các

hạt compozit có xu hướng lớn dần.

48

Mẫu tổng hợp ở 30oC (hình 3.7a): Tinh thể dạng hình que, có hiện tượng kết

tập các hạt với nhau. Đường kính khoảng 25 - 30 nm, dài khoảng 100 - 140 nm.

Mẫu tổng hợp ở 50oC (hình 3.7b): Tinh thể vẫn tồn tại dạng hình que, hiện

tượng kết tập nhưng không đáng kể. Các hạt có đường kính khoảng 30 - 35 nm, dài

khoảng 110 - 150 nm.

Trên hình 3.7, các hạt compozit có hiện tượng kết tập với nhau thành từng

đám. Khi nhiệt độ tăng, kích thước của các đám giảm dần, tuy nhiên kích thước các

hạt lại tăng dần. Do vật liệu kích thước nano có năng lượng bề mặt rất lớn vì vậy

chúng có xu hướng kết tập các hạt với nhau tạo thành những hạt lớn hơn để thuận

lợi hơn về mặt năng lượng. Đặc biệt đối với HA, do có chứa các gốc PO43- có xu

hướng polyme hoá và các gốc OH- dễ tạo liên kết hiđro với nhau nên hiện tượng kết

tập càng dễ xảy ra.

c. Kết quả FTIR

Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng

khác nhau

49

Hình 3.8 cho thấy cả 3 mẫu đều xuất hiện các dải phổ đặc trưng cho nhóm

cấu trúc HA và alginat. Dải 3600 - 3400 cm-1 đặc trưng cho nhóm OH- trong cả

alginat và HA. Dải 1611 - 1414 cm-1 đặc trưng cho sự chồng chéo nhóm chức của

HA và nhóm COO- của alginat. Các dải ở vị trí 1030 - 1041cm-1, 984 cm-1, 564 -

604 cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm PO43-. Sản phẩm được đánh giá là tốt khi

các dải phổ ở 564 - 604 cm-1 xuất hiện rõ nét. Khi tăng nhiệt độ, cường độ của các

dải phổ đặc trưng tăng lên, chứng tỏ tinh thể phát triển tốt hơn.

Trên giản đồ XRD không thấy xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của

CaCO3, CaHPO4 hay Ca3(PO4)2 có thể do lượng chất quá ít. Tuy nhiên, trên phổ

FTIR (hình 3.8) thấy xuất hiện các dải phổ có cường độ yếu nằm ở vùng 1410 -

1470 cm-1. Các dải này được gán cho cho nhóm CO32- trong cấu trúc. Chứng tỏ có

một lượng nhỏ khí CO2 có trong không khí bị hấp thụ trong quá trình tổng hợp và

bảo quản mẫu.

3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit

a. Kết quả XRD

Hình 3.9 là giản đồ nhiễu xạ tia X của compozit HA/Alg được tổng hợp ở 4

tốc độ cấp axit khác nhau.

Hình 3.9: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các tốc độ cấp axit khác nhau

50

Quan sát các giản đồ chỉ thấy xuất hiện các vạch đặc trưng của HA, không

thấy sự có mặt của pha lạ. Độ rộng các vạch đặc trưng không thay đổi nhiều chứng

tỏ kích thước hạt trung bình không thay đổi nhiều khi tăng tốc độ cấp axit.

Kích thước hạt trung bình, độ tinh thể của sản phẩm HA được tính theo các

công thức (1.11) và (1.12). Các kết quả được thể hiện trong bảng 3.3.

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 đến kích thước trung bình

và độ tinh thể compozit HA/Alg

Kết quả bảng 3.3 cho thấy, tốc độ cấp axit không ảnh hưởng nhiều đến kích

thước tinh thể, nhưng ảnh hưởng đến độ tinh thể của sản phẩm.

Kích thước hạt giảm dần khi tăng tốc độ cấp axit. Kích thước hạt lớn nhất

(19,81 nm) ở thí nghiệm S1 và kích thước hạt nhỏ nhất (15,98 nm) ở thí nghiệm S4.

Khi tăng tốc độ cấp axit từ S1 đến S2, độ tinh thể tăng từ 17,5% đến 29,73%.

Tiếp tục tăng tốc độ cấp axit thì độ tinh thể lại giảm xuống còn 14,89% ở S4.

Tốc độ cấp axit tăng làm tốc độ phản ứng chung tăng thuận lợi cho sự tạo

mầm và hình thành hạt có kích thước nhỏ.

Khi nhỏ đồng thời dung dịch alginat và dung dịch axit H3PO4 vào huyền phù

Ca(OH)2, sự tương tác giữa nhóm cacboxylic (COO-) trong polyme của alginat với

ion Ca2+ tạo một dạng phức hợp Ca2+ - alginat.

Với tốc độ cấp axit quá chậm, ion PO43- vừa tương tác với Ca2+ vừa tương tác

với phức hợp Ca2+ - alginat để tạo HA, hạt HA tạo thành ảnh hưởng bởi sự bão hòa

vì vậy làm giảm độ tinh thể của sản phẩm. Tốc độ cấp axit quá lớn, dễ dẫn đến hiện

Ký hiệu

mẫu

Tốc độ cấp axit

(ml/phút)

D (nm)

theo Scherrer

Độ tinh thể

(%)

S1 0,67 19,81 17,5

S2 2 18,48 29,73

S3 6 16,64 27,33

S4 Tốc độ rất nhanh 15,98 14,89

51

tượng quá cục bộ axit làm cho pH của hỗn hợp giảm đột ngột tạo điều kiện cho các

sản của muối canxi photphat khác tạo thành. Như vậy sẽ làm giảm độ tinh thể của

sản phẩm.

Tốc độ cấp axit vừa phải đảm bảo thời gian phản ứng tạo HA theo 2 giai

đoạn: giai đoạn hòa tan Ca(OH)2 và giai đoạn kết tủa để thu được HA đồng nhất và

đơn pha.

b. Kết quả FTIR

Hình 3.10: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ cấp axit

Trên phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg từ S1 đến S4 đều xuất hiện

các dải phổ đặc trưng của các nhóm trong cấu trúc của HA và alginat.

Quan sát các phổ trên hình 3.10 cho thấy, vùng phổ ở 1638 - 1633 cm-1 (quy

cho sự chồng chéo nhóm COO- trong alginat và nhóm H2O trong HA) có cường độ

giảm nhẹ khi tăng tốc độ cấp axit. Ngoài ra, dải phổ ở vị trí 875 cm-1 của nhóm

52

HPO42- có cường độ rất yếu ở thí nghiệm S2, chứng tỏ sản phẩm ở S2 lượng HPO4

2-

ít hơn.

Qua các kết quả XRD, FTIR và tính toán các mẫu cho thấy, tốc độ cấp axit

không ảnh hưởng đến độ đơn pha, kích thước hạt trung bình của sản phẩm nhưng có

ảnh hưởng đến độ tinh thể của sản phẩm. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng vật liệu

compozit mà lựa chon tốc độ cấp axit phù hợp. Tốc độ cấp axit bằng 2 ml/phút được

lựa chọn trong các thí nghiệm tiếp theo để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất

lượng sản phẩm compozit HA/Alg.

3.2.4. Ảnh hưởng của dung môi

a. Kết quả XRD

Hình 3.11: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi D1: nước D2: hỗn hợp nước + etanol D3: etanol

Quan sát giản đồ XRD trên hình 3.11 cho thấy: Ở các mẫu D1, D2 chỉ xuất

hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA, không thấy sự có mặt của các pha lạ.

Chứng tỏ, sản phẩm ở hai thí nghiệm này đều chứa HA đơn pha. Độ rộng các vạch

đặc trưng tương đối lơn cho thấy kích thước hạt khá nhỏ. Áp dụng công thức

53

Scherrer (1.11) và dựa vào giản đồ tính được kích thước hạt trung bình của các mẫu

D1, D2 lần lượt là 18,48 nm và 16,35 nm. Như vậy, dung môi hỗn hợp không ảnh

hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm. Có thể giải thích như sau: Lượng nước trong

dung môi hỗn hợp (D2) cũng đủ để phản ứng tạo HA xảy ra như trong dung môi

nước (D1). Tuy nhiên, kích thước hạt trung bình giảm đi trong dung môi D2.

Nguyên nhân có thể do khi nhỏ đồng thời dung dịch alginat và dung dịch H3PO4

vào huyền phù Ca(OH)2 thì lượng etanol có trong hỗn hợp tạo điều kiện cho sự

đồng kết tủa alginat và HA. Quá trình tạo HA xảy ra nhanh, tốc độ tạo mầm tinh thể

giảm dẫn đến các tinh thể có kích thước nhỏ hơn so với kết tủa trong dung môi

nước.

Ở trong thí nghiệm D3, sản phẩm không thu được pha HA. Trên giản đồ xuất

hiện các vạch đặc trưng của monetite (CaHPO4) và brushite (CaHPO4.2H2O).

Có thể giải thích như sau: Bản chất của H3PO4 là một axit trung bình, vì thế

trong dung môi etanol sự phân ly ở nấc thứ ba theo phương trình (1.9)

(HPO42- ↔ PO4

3- + H+) khó khăn hơn. Cân bằng chuyển dịch sang trái, nồng độ ion

HPO42- tăng lên. Do vậy monetite và brushite là kết quả phản ứng giữa ion Ca2+

trong Ca(OH)2 và HPO42- theo phương trình:

Ca2+ + HPO42- CaHPO4

Ca2+ + HPO42- + 2H2O CaHPO4.2H2O

(3.1)

(3.2 )

Khi đó, sản phẩm trong thí nghiệm D3 thu được là CaHPO4 và CaHPO4.2H2O.


Hình 3.12: Ảnh SEM của compozit HA/Alg tổng hợp từ các dung môi khác nhau

54

Mẫu tổng hợp ở D1 (dung môi nước): Tinh thể tồn tại dạng hình que, phân bố

đều trên chất nền alginat. Biên hạt rõ nét, đường kính khoảng 25 - 30 nm, dài

khoảng 100 - 140 nm.

Mẫu tổng hợp ở D2 (dung môi nước + etanol): Tinh thể vẫn dạng hình que,

các hạt kết tập thành đám và có kích thước không đồng đều. Đường kính hạt khoảng

10 - 20 nm, dài khoảng 50 - 90 nm.

Qua ảnh SEM thấy rằng, dung môi không chỉ ảnh hưởng đến độ đơn pha mà

còn ảnh hưởng đến kích thước tinh thể của sản phẩm.

c. Kết quả FTIR

Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg tổng hợp ở trong các dung môi

khác nhau được thể hiện ở hình 3.13.

Hình 3.13: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi khác nhau

Trên phổ FTIR của D1 và D2 đều xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng cho các

nhóm trong cấu trúc của HA và alginat.

55

Dải 1620 cm-1 và 1419 cm-1 được gắn cho nhóm COO- bất đối xứng và đối

xứng trong alginat. Các dải ở vị trí 551, 959, 1046 cm-1 đặc trưng cho nhóm PO43-

trong HA.

Phổ FTIR ở D3, không thấy dải phổ vị trí 965 cm-1 của nhóm PO43-. Tuy

nhiên, dải hấp thụ ở vị trí 873 cm-1 và 1425 cm-1 được quy cho nhóm trong CaHPO4

xuất hiện với cường độ mạnh.

Để phản ứng kết tủa tạo HA thuận lợi, các chất đầu là Ca(OH)2 và H3PO4

phải được phân ly tốt trong dung môi và duy trì độ pH lớn hơn 7 trong suốt quá

trình phản ứng. Việc thay thế dung môi nước bằng dung môi etanol làm giảm khả

năng phân ly của các chất, làm cho pH của hỗn hợp phản ứng thay đổi dẫn đến phản

ứng tạo thành monetite và brushite. Như vậy, etanol không phải là dung môi thích

hợp cho quá trình tổng hợp HA trong compozit.

3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian già hóa

a. Kết quả XRD

Hình 3.14: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau

56

Quan sát hình 3.14 cho thấy trên các giản đồ chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ

đặc trưng của HA, không thấy sự có mặt của pha lạ. Như vậy, thời gian già hóa

không ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm.

Kết quả tính toán kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm được

trình bày trong bảng 3.4.

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg

STT Thời gian già hóa

(giờ)

D (nm)

theo Scherrer

Độ tinh thể

(%)

1 0 17,63 22,15

2 4 18,48 29,73

3 8 18,54 29,04

4 16 19,26 30,01

b. Kết quả FTIR

Hình 3.15: Phổ FTIR của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau

57

Kết quả tính toán, giản đồ XRD và FTIR cho thấy: Thời gian già hóa không

ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm.

Thời gian già hóa quá ngắn làm cho phản ứng tạo HA xảy ra chưa hoàn toàn,

nó có thể tạo ra các sản phẩm trung gian không bền là những hợp chất canxi

photphat. Ngoài ra thời gian già hóa quá ngắn sẽ làm cản trở sự phát triển tinh thể,

các hạt HA không dễ đạt được sự phân tán đồng đều trên nền polyme.

Thời gian già hóa quá lâu sẽ dẫn đến hiện tượng các hạt trong hỗn hợp phản

ứng có sự kết tụ lại với nhau làm cho kích thước hạt lớn hơn và kéo dài thời gian

không cần thiết.

Từ các kết quả thu được cho thấy thời gian già hóa thích hợp từ 4 đến 8 giờ.

3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn

a. Kết quả XRD

Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy trộn khác

nhau được thể hiện trên hình 3.16.

Hình 3.16: Giản đồ XRD của HA trong compozit HA/Alg tổng hợp ở

các tốc độ khuấy khác nhau

58

Trên giản đồ XRD của các mẫu cho thấy, chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc

trưng của HA, không thấy sự có mặt của các pha lạ. Như vậy, tốc độ khuấy trộn

không ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm. Áp dụng công thức Scherrer (1.11)

và (1.12), tính được kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của sản phẩm. Các

kết quả được thể hiện trong bảng 3.5.

Bảng 3.5:Ảnh hưởng của tốc khuấy đến kích thước trung bình và độ tinh thể

compozit HA/Alg

Ký hiệu

mẫu

Tốc độ khuấy

(vòng/phút)

D (nm)

theo Scherrer

Độ tinh thể

(%)

V1 100 – 150 19,23 7,69

V2 300 – 350 18,48 29,73

V3 450 – 500 16,98 17,14

Từ các số liệu ở bảng 3.5 ta thấy tốc độ khuấy không ảnh hưởng nhiều đến

kích thước hạt trung bình nhưng ảnh hưởng đến độ tinh thể của sản phẩm.

Khi tăng tốc độ khuấy từ thí nghiệm V1 đến V3 kích thước hạt trung bình

giảm từ 19,23 nm xuống 16,98 nm. Độ tinh thể ở thí nghiệm V1 thấp nhất (7,69%),

cao nhất ở thí nghiệm V2 (29,73%) và giảm xuống ở thí nghiệm V3. Điều này có thể

được giải thích: Khi tăng tốc độ khuấy trộn các phân tử Ca(OH)2 và H3PO4 phân ly

nhanh thành các ion đồng nhất tạo điều kiện thuận lợi để các ion này tiếp xúc với

nhau, làm cho số mầm tinh thể hình thành trong một đơn vị thời gian tăng lên,

tương đương với kích thước mỗi tinh thể giảm xuống.

Tuy nhiên, để hình thành HA cần có 18 ion: 10 ion Ca2+, 6 ion PO43- và 2 ion

OH-. Tốc độ khuấy quá nhanh thì xác suất có mặt đồng thời của 18 ion này trong

cùng một thời điểm trên cùng một mặt là nhỏ. Còn tốc độ khuấy quá chậm các ion

phải đợi nhau lâu trong một đơn vị thời gian, vì vậy ảnh hưởng không tốt tới độ tinh

thể. Với tốc độ khuấy vừa phải, các ion kết hợp với nhau tốt hơn, thúc đẩy sự kết

tinh các ion hình thành HA có cấu trúc tinh thể tốt hơn.

59

b. Kết quả FTIR

Hình 3.17: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy khác nhau

Quan sát phổ FTIR của ba mẫu trên hình 3.17 cho thấy, cả ba phổ đều xuất

hiện các dải phổ đặc trưng cho HA và alginat. Sản phẩm được đánh giá là tốt khi có

các dải phổ đặc trưng ở vùng 570 - 606 cm-1 xuất hiện rõ nét. Ở mẫu V1, dải phổ ở

vị trí 602 cm-1 có cường độ yếu chứng tỏ độ tinh thể ở V1 thấp. Điều này phù hợp

với kết quả nhiễu xạ tia X ở trên.

Quan sát các phổ trên hình 3.17 còn thấy vùng phổ ở 1623 cm-1 (chồng chéo

nhóm H2O trong HA và COO- trong alginat) có cường độ tăng nhẹ khi tăng dần tốc

độ khuấy.

Như vậy, các kết quả XRD, FTIR và tính toán các mẫu cho thấy tốc độ

khuấy trộn không ảnh hưởng nhiều đến độ đơn pha, kích thước hạt trung bình

nhưng có ảnh hưởng đến độ tinh thể của sản phẩm.

3.2.7. Ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm

a. Kết quả XRD

60

Hình 3.18 là giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp trong hai điều

kiện làm khô khác nhau sản phẩm đều đơn pha, không xuất hiện các pha lạ.

(a) (b)

Hình 3.18: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở hai điều kiện làm khô: (a) sấy nhiệt (b) đông khô

Kết quả ở cả hai điều kiện sấy nhiệt và đông khô không có sự khác biệt nhiều

về vị trí, cường độ và độ rộng của các vạch nhiễu xạ đặc trưng.


Hình 3.19: Ảnh SEM của (a) HA-10, (b) HA-50, (a’) HA-Đ10 và (b’) HA-Đ50

61

Quan sát ảnh SEM trên hình 3.19 cho thấy điều kiện làm khô khác nhau ảnh

hưởng đến hình dạng và sự phân bố các hạt HA trong nền alginat.

Mẫu HA-10 (hình 3.19a, sấy nhiệt): Tinh thể HA dạng gần cầu, được bao

phủ bởi bề mặt lớp vỏ alginat và kết tập thành khối lớn.

Mẫu HA-Đ10 (hình 3.19a’, đông khô): Không quan sát được các hạt riêng rẽ,

có thể do các hạt HA nằm lẫn trong khối alginat.

Mẫu HA-50 (hình 3.19b, sấy nhiệt): Các hạt tồn tại dạng hình que, đường

kính hạt khoảng 25 - 30 nm, chiều dài hạt khoảng 125 - 140 nm.

Mẫu HA-Đ50 (hình 3.19b’, đông khô): Các hạt dạng hình que, kích thước hạt

xấp xỉ với mẫu HA - 50. Biên hạt rõ nét, các hạt được phân bố đồng đều và giảm sự

kết tập cục bộ so với mẫu HA - 50.

So sánh hai phương pháp sấy khô: Phương pháp sấy nhiệt sản phẩm thường

bị chuyển mầu từ trắng ngà sang ngà vàng trong quá trình sấy. Ở nhiệt cao trong

quá trình sấy, dung môi bay hơi còn lại các hạt HA nằm cạnh nhau và kết tập lại

thành từng đám. Còn trong phương pháp đông khô, sản phẩm được làm lạnh đột

ngột khiến dung môi còn lại trong compozit đóng rắn và sau đó thăng hoa trong

chân không, để lại các khoảng trống giữa các hạt HA nên sản phẩm thu được tơi

xốp và dễ nghiền hơn.

3.2.8. Ảnh hưởng của sóng siêu âm

a. Kết quả XRD

Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng trong hai điều kiện có sóng và

không có sóng siêu âm được thể hiện trên hình 3.20.

62

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)

Trên giản đồ XRD của hình 3.20 chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng

cho tinh thể HA, không xuất hiện các pha lạ, chứng tỏ sản phẩm thu được đều là

đơn pha.

Từ các giản đồ nhận thấy, so với mẫu không có bức xạ siêu âm thì mẫu được

chiếu sóng siêu âm có phần tách biệt hơn, có cường độ tăng lên và độ rộng vạch đặc

trưng giảm xuống. Áp dụng công thức Scherrer (1.11) và công thức (1.12) tính được

kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm. Các kết quả tính toán được

thể hiện trong bảng 3.6.

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể

của compozit HA/Alg

Kí hiệu mẫu D (nm) theo Scherrer Độ tinh thể (%)

P1 18,48 29,73

P2 24,96 31,7

63

c. Kết quả ảnh SEM

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)

Quan sát ảnh SEM trên hình 3.21 cho thấy: trường hợp không có sóng siêu

âm, các hạt tồn tại ở dạng hình que. Đường kính của hạt khoảng 25 - 30 nm, chiều

dài các hạt khoảng 80 - 140 nm. Trường hợp có chiếu sóng siêu âm, các hạt vẫn tồn

tại dạng hình que. Đường kính của hạt khoảng 30 - 50 nm, chiều dài các hạt khoảng

90 - 160 nm. Nguyên nhân do dưới tác dụng của sóng siêu âm, quá trình khuếch tán

các ion đến bề mặt và kết tinh các mầm tinh thể xảy ra nhanh hơn, làm cho kích

thước tinh thể tăng lên. Ngoài ra, HA trong compozit có biên hạt không rõ nét và có

hiện tượng kết dính giữa các hạt.

c. Kết quả FTIR

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)

64

Trên phổ FTIR của hai mẫu đều xuất hiện các dải phổ đặc trưng cho HA và

alginat. Thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng dưới tác dụng của

sóng siêu âm tăng lên đến 40 - 44oC (tức là tăng thêm 10 - 13oC so với nhiệt độ

30oC của thí nghiệm không có sóng siêu âm). Theo kết quả mục 3.2.2 (khảo sát ảnh

hưởng của nhiệt độ), khi tăng nhiệt độ kích thước hạt tăng lên. Điều này phù hợp

với kết quả nhiễu xạ XRD và kết quả ảnh SEM ở trên. Như vậy, sóng siêu âm với

công suất 200 W, tần số 46 kHz được sử dụng trong khảo sát này không ảnh hưởng

đến độ đơn pha, hình dạng tinh thể nhưng có ảnh hưởng đến kích thước hạt trung

bình và sự phân bố các hạt trong compozit.

65

KẾT LUẬN

Từ các kết quả đã trình bày ở trên, có thể rút ra các kết luận sau đây:

1. Đã nghiên cứu tổng hợp được compozit HA/alginat có kích thước nanomet từ

Ca(OH)2, H3PO4 và alginat. Các phương pháp như XRD, SEM, TEM, FTIR và

DTA-TGA đã được sử dụng để đánh giá chất lượng sản phẩm trên độ đơn pha, kích

thước tinh thể trung bình, hình dạng, độ tinh thể và sự phân bố HA trong sản phẩm.

2. Đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: Hàm lượng alginat trong compozit, nhiệt

độ, tốc độ cấp axit, dung môi, tốc độ khuấy trộn, điều kiện làm khô và bức xạ siêu

âm đến độ đơn pha, kích thước hạt và độ tinh thể của sản phẩm. Kết quả cho thấy:

- Hàm lượng alginat ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt trung bình, hình

dạng và độ tinh thể của sản phẩm.

- Nhiệt độ phản ứng tăng làm kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của

sản phẩm tăng.

- Các yếu tố (tốc độ cấp axit và tốc độ khuấy) không ảnh hưởng nhiều đến

kích thước hạt trung bình nhưng ảnh hưởng mạnh đến độ tinh thể của sản phẩm.

- Dung môi ảnh hưởng mạnh đến độ đơn pha của sản phẩm. Trong dung môi

etanol, sản phẩm của phản ứng là CaHPO4 và CaHPO4.2H2O.

- Thời gian già hóa không ảnh hưởng nhiều đến kích thước hạt trung bình và

độ tinh thể của sản phẩm.

- Điều kiện sấy khô sản phẩm không ảnh hưởng đến độ đơn pha, kích thước

hạt trung bình, nhưng ảnh hưởng đến hình dạng và sự phân bố các hạt HA trong

compozit.

- Sóng siêu âm làm tăng kích thước hạt và không ảnh hưởng nhiều đến độ

tinh thể của sản phẩm.

3. Các sản phẩm compozit HA/Alg thu được đều có đặc trưng về độ đơn pha, kích

thước hạt, hình dạng và độ tinh thể. Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, có thể lựa

chọn điều kiện tổng hợp compozit HA/Alg phù hợp cho những ứng dụng khác nhau

trong từng điều kiện cụ thể.

66

CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ĐÃ CÔNG BỐ

1. Phạm Thị Ngọc Bích, Nguyễn Thị Lan Hương, Đào Quốc Hương, Vũ Duy Hiển

(2014), “Ảnh hưởng của hàm lượng alginate đến đặc trưng của compozit canxi

hydroxyapatite/alginate tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp”, Tạp chí Hóa

học, 52(5A), tr. 270-274

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hydroxyapatit

Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit Ca(OH)2, Luận

văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia

Hà Nội.

2. Trần Thị Hải Hậu (2011), Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocompozit

hydroxyapatit trên nền polyme hữu cơ maltodextrin, Khóa luận tốt nghiệp, Đại

học Công nghiệp Hà Nội.

3. Vũ Duy Hiển (2009), Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng hóa lý của

hydroxyapatit dạng khối xốp có khả năng ứng dụng trong phẫu thuật chỉnh

hình, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công Nghệ

Việt Nam.

4. Nguyễn Thị Lan Hương, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2013), “Ảnh

hưởng của nhiệt độ phản ứng đến một số đặc trưng của compozit

hydroxyapatite/maltodextrin tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp”,

Tạp chí Hóa học, 51(3AB), tr. 245-248.

5. Nguyễn Văn Khôi (2005), Polysaccarit và ứng dụng các dẫn xuất tan của

chúng trong thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

6. Đỗ Ngọc Liên (2006), Nghiên cứu qui trình tổng hợp bột và chế thử gốm xốp

hydroxyapatit, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ (Bộ Khoa

học và Công nghệ).

7. Dương Thùy Linh (2009), Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng

bột hydroxyapatit kích thước nano tổng hợp từ canxinitrat, Luận văn Thạc sĩ

hóa học, Đại học Sư phạm Hà Nội.

8. Lê Anh Tuấn (2009), Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit polyme-

hydroxyapatit cho mục đích ứng dụng trong y sinh, Báo cáo tổng kết đề tài

68

Nghiên cứu Khoa học & Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam.

9. Đoàn Thị Yến (2012), Tổng hợp hydroxyapatit ở nhiệt độ thấp và chế tạo

compozit hydroxyapatit trên tinh bột từ canxinitrat, Khóa luận tốt nghiệp, Đại

học Công nghiệp Hà Nội.

Tiếng Anh

10. Amit Y. Desai (2007), Fabricantion and Characterization of Titanium-doped

Hydroxyapatit Thin Films, Master Dissertation, Trinity College University of

Cambridge.

11. Billotte W.C. (2007), “Ceramic Biomechains”, Taylor & Francis Group, LLC,

Biomaterials, p. 38-71.

12. Binnaz Hazar Yoruc A., Yeliz Koca (2009), “Double step stirring: A novel

method for precipitation of nano-size hydroxyapatite powder”, Digest Journal

of Nanomaterials and Biostructures, 4(1), p. 73-81.

13. Buddy D. Ratner (2006), Engineering the Biointerface for Enhanced

Bioelectrode and Biosensor Performance, Departments of Bioengineering and

Chemical Engineering, University of Washington Engineered Biomaterials

(UWEB).

14. Draget K., Smidsrød O., Skják-Brek G. (2005), “Alginates from Algae”,

Polysaccharides and Polyamides in the Food Intrstry, Properties Production,

and Patents, p. 1-30.

15. Fei Chen, Zhou-Cheng Wang and Chang-Jian Lin (2002), “Preparation and

characterization of nano-sized hydroxyapatite particles and

hydroxyapatite/chitosan nano-composite for use in biomedical materials”,

Materials Letters, 57(4), p. 858-861.

16. Ferraz M.P., Monteiro F.J. (2004), Manuel C.M., “Hydroxyapatite

Nanoparticles:A Review of Preparation Methodologies”, Journal of Applied

Biomaterials & Biomechanics, 2(1), p. 74-80.

69

17. Gacesa P. (1988), “Alginate”, Cacbohydrate polymers, 8, p. 161-182.

18. Gea Z., Baguenard S., Yong Lima L., Weec A., Khorb E. (2004),

“Hydroxyapatite-chitin materials as potential tissue engineered bone

substitutes”, Biomaterials, 25, p. 1049-1058.

19. Haug A. (1964), Composition and Properties of Alginates, Thesis, Norwegian

Institute of Technology, Trondheim.

20. Haug A., Larsen B., and Smidsrød O. (1974), “Uronic acid sequence in

alginate from different sources”, Carbohydrate Research, 32, p. 217-225.

21. Ishizva H., Ogino M. (1996), “Thin HA Layer Formed on Porous Titanium

using Electrochemical and Hydrothermal Reaction”, J. of Mat. Sci., 31, p.

6279-6284.

22. Ito M., Hidaka Y., Nakajima M., Yagasaki H., Kafrawy A. H. (1999), “Effect

of hydroxyapatite content on physical properties and connective tissue

reactions to a chitosan-hydroxyapatite composite membrance”, J. Biomed.

Mater. Res., 45, p. 204-208.

23. Kasioptas Argyrios, Perdikouri Christina, Putnis Christine V., Putnis Andrew

(2008), “Pseudomorphic replacement of single calcium carbonate crystals by

polycrystalline apatite”, Mineralogical Magazine, 72(1), p. 77-80.

24. Khotimchenko Y.S., Kovalev V.V., Savchenko O.V., Ziganshina O.A. (2001),

“Physical-chemical properties, physiological activity, and usage of alginates,

the polysaccharides of brown algae”, Marine Pharmacol, 27, p. 53-64.

25. Kikuchi, Ito S., Ichinose S., Shinomiya K., Tanaka J. (2001), “Self

organization mechanism in bone like hydroxyapatite/collagen nanocomposite

synthesized in vitro and it biological reaction in vivo”, Biomaterials, 22, p.

1705-1711.

26. Krylova E.A., Ivanov A.A., Krylov S.E., Plashchina I.G., Nefedov P.V.

(2004), Hydroxyapatite-Alginate Sructure as Living Cells Supporting System,

N.N. Emanuel Institue of Biochemical Physics RAS, Russia.

70

27. Kundu B., Sinha K., Basu (2004), “Fabrication and Characterization of

Porous Hydroxyapatite Ocular Implant Followed by an in Vivo Study”, Indian

Academy of Sciences, Bull. Mater. Sci., 27(2), p. 133-140.

28. Li-Hong He, Owen C. Standard, Tiffany T.Y. Huang, Bruno A. Latella,

Michael V. Swaim (2008), “Mechanical Behaviour of Porous

Hydroxyapatite”, Acta Biomaterialia, 4, p. 577-586.

29. Li Wang, Yue Li, Chunzhong Li (2009), “In situ processing and properties of

nanostructured hydroxyapatite/alginate composite”, J. Nanopart. Res., 11, p.

69-699.

30. Martinetti R., Dolcini L., Mangano C. (2005), “Physical and Chemical

Aspects of a new Porous Hydroxyapatite”, Anal. Bioanal. Chem., 381, p. 634-

638.

31. McHugh Dennis J. (2003), “A guide to the seaweed industry”, FAO Fisheries

Technical Paper No. 441.

32. Narasaraju T.S.B., Phebe D.E. (1996), “Some physico-chemical aspects of

hydroxyapatite”, Journal of Materials Science, 31, p. 1-21.

33. Nguyen Thi Lan Huong, Dao Quoc Huong, Phan Thi Ngoc Bich (2013),

“Systhesis of hydroxyapatite/starch composite by precipitation method”,

VietNam Journal of Chemistry, 51(3AB), p. 255-259.

34. Onsøyen E. (1996), “Commercial applications of alginates”, Cacbohydrate

Europe, 14, p. 26-31.

35. Pekka Ylinen (2006), Applications of Coralline Hydroxyapatite with

Bioabsorbable Containment and Reinforcement as Bone Graft Substitute,

Academic Dissertation, University of Helsinki.

36. Raikumar M., Meenakshisundaram N., Rajendran V. (2011), “Development of

nanocomposites based on hydroxyapatite/sodium alginate: Synthesis and

characterization”, Materials Characterization, 62, p. 469-479.

71

37. Roderic S. Lakes (2007), “Composite Biomareials”, Taylor & Francis Group,

LLC, Biomaterials, p. 96-109.

38. Sangeetha K., Thamizhavel A., Girija E.K. (2013), “Effect of gelatin on the in

situ formation of Algiante/Hydroxyapatite nanocomposite”, Materiaks Letters,

91, p. 27-30.

39. Satou K., Guicciardi S., Galassi C., Landi E., Tampieri A., Pezzotti G. (2001),

“Rheological Characteristics of Slurry Coutrolling the Microstructure and the

Compressive Strength Behavior of Biomimetic Hydroxyapatite”, Materials

Research Soc., 16(1), p. 164-165.

40. Skják-Brek G., Grasdalen H., Smidsrød O. (1989), “Inhomogeneous

Polysaccharide Ionic Gels”, Cacbohydrate polymers, 10, p. 31-54.

41. Smidsrød O. (1970), “Solution properties of alginate”, Cacbohydrate

Research, 13, p. 359-372.

42. Smidsrød O. and Haug A. (1971), “Estimation of the relative stiffness of the

molecular chain in polyelectrolytes from measurements of viscosity at

different ionic strengths”, Biopolymers, 10(7), p. 1213-1227.

43. Smidsrød O., Haug A. and Larsen B. (1966), “The influence of pH on the rate

of hydrolysis of acidic polysaccharides”, Acta Chemica Scandinavica, 20, p.

1026-1034.

44. Smidsrød O., Skják-Brek G. (1990), “Alginate as immobilization matrix for

cells”, Trends Biotechnol., 8, p. 71-78.

45. Sotome S., Uemura T., Kikuchi M, Chen J., Itoh S., Tanke J., Tareishi T.,

Shinomiya K. (2004), “Synthesis and in vivo evaluation of a novel

hydroxyapatite/collagen-alginat as a bone filler and a drug delivery carrier of

bone mophogenic protein”, Mater. Sci. Eng., C, 24, p. 341-7.

46. Taesik Chae, Heejae Yang, Victor Leung, Frank Ko, Tom Troczynski (2013),

“Novel biomimetic hydroxyapatite/alginate nanocomposite fibrous scaffolds

for bone tissue regeneration”, Mater. Med., 24, p. 1885-1894.

72

47. United States Patent No: US 6,809,231 B2, Oct, 26 (2004), Flexible and

Absorbent Alginate Wound Dressing.

48. Vos Paul de. et al (2006), “Alginate-based microcapsules for

immunoisolation of pancreatic islets”, Biomaterials, 27, p. 5603-5617.

49. Wahl D.A., Czernuszka J.T (2006), “Collagen-Hydroxyapatite Composites for

Hard Tissue Repair”, European Cells and Materials, 11, p. 43-56.

50. Wang M., Joseph R., Bonfield W. (1998), “Hydroxyapatite polyethylene-

composites for bone substitution: effectsof ceramic particle size and

morphology”, Biomaterials, 19, p. 2357-2366.

51. Willi P., Chandra P.S. (2001), “Porous Hydroxyapatite Nanoparticles for

Intestinal Delivery of Insulin”, Trends in Biomaterials & Artificial Organs,

14(2), p. 37-38.

52. Wim Richter (2008), Polymers & Bioceramics, Material Science &

Manufacturing, Council for Scientific and Industrial Research (SCIR),

Pretoria, BioMatASA, Newsletter 2, Issue1.

53. Yoshitaka S., Atsumasa U., Feza K., Nobuhito A., Keiro O. (1992), “Calcium

Hydroxyapatite Ceramic used as a Delivery System for Antibiotics”, J. Bone

Joint Surg. [Br], 74B(4), p. 600-604.

Trang web

54. https://congnghehoahoc.wordpress.com

55. http://en.wikipedia.org/wiki/Hydroxylapatite

56. htpp:/en.wikipedia.org/wiki/polisaccarit

73

PHỤ LỤC

A. Giản đồ nhiễu xạ tia X của một số compozit HA/Alg

Hình A.1: Giản đồ XRD của compozit HA-50

Hình A.2: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở 50oC

74

Hình A.3: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở dung môi D2 (hỗn hợp nước và etanol)

Hình A.4: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở dung môi D3 (etanol)

B. Phổ hồng ngoại của alginat và một số compozit HA/Alg

75

Hình B.1: Phổ hồng ngoại của alginat

Hình B.2: Phổ hồng ngoại của compozit HA/Alg tổng hợp ở tốc độ khuấy V3 (450 – 500 vòng/phút)

76

Hình B.3: Phổ hồng ngoại của compozit HA/Alg tổng hợp ở tốc độ

cấp axit S3 (6 ml/phút)

Hình B.4: Phổ hồng ngoại của compozit HA-70

C. Giản đồ phân tích nhiệt (DTA-TGA) của compozit HA-50

77

Hình C.1: Giản đồ DTA-TGA mẫu compozit HA-50

78

ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG ALGINATE ĐẾN ĐẶC TRƯNG

CỦA COMPOZIT CANXI HYDROXYAPATITE/ALGINATE TỔNG HỢP

BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA TRỰC TIẾP

Phạm Thị Ngọc Bích1*, Nguyễn Thị Lan Hương2, Đào Quốc Hương3, Vũ Duy Hiển3

1 Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên 2 Khoa Hóa học, Trường Đại học Đồng Tháp

3 Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Abstract

Hydroxyapatite/alginate composite was prepared by in-situ precipitation method. Characterizations of the samples were examined using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and thermal analysis (DTA, TGA). The effect of alginate concentration on the structure of composite was investigated. The results indicated that the size and crystallinity of HA nano particles decrease with the increase of alginate concentration in the composite.

Keywords: composite, hydroxyapatite, alginate, in-situ precipitation.

1. GIỚI THIỆU

Những tiến bộ trong thập kỷ qua đã góp phần đáng kể vào sự phát triển các phương pháp trị liệu thông qua công nghệ mô, vật liệu truyền dẫn thuốc... [1]. Alginate là polyme sinh học, dạng muối natri của axit alginic (C6H8C6)n và được chiết tách từ rong biển. Chúng được cấu tạo từ hai monome là axit β-D-mannuronic và axit α-L-guluronic được nối với nhau qua liên kết glycosit (1-4). Với đặc tính là polyme ưa nước, không độc tính, có tương thích sinh học và giá thành phù hợp, alginate được sử dụng trong nhiều ứng dụng y sinh học như công nghệ mô, sụn, da, truyền dẫn thuốc, làm vải băng bó vết thương, vật liệu làm khuôn răng… [2-4]. Canxi

hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2 - HA) là thành phần chính trong khung xương và răng người, có hoạt tính và độ tương thích sinh học với các tế bào và mô. HA là dạng canxi photphat dễ hấp thụ với tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng [5].

Để nâng cao đặc tính của HA trong các ứng dụng y sinh học, một xu hướng mới là tạo ra vật liệu compozit bằng cách phân tán HA vào các polyme sinh học. Các polyme này được sử dụng vừa làm chất nền, vừa có khả năng tạo liên kết với các tế bào thông qua nhóm chức, đồng thời hạn chế sự phát triển kích thước và hiện tượng kết tập của HA [6, 7]. Vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA và alginate rất đa dạng và được ứng rộng rãi trong

79

công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nha khoa…

Tổng hợp compozit HA/alginate theo phương pháp kết tủa trực tiếp tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành tương tác hóa học giữa HA và polyme [8, 9].

Trên thế giới, việc tổng hợp vật liệu compozit HA/alginate và khảo sát các đặc tính của chúng đang phát triển. Trong nước, nghiên cứu sự phân tán HA vào polyme sinh học nói chung và alginate nói riêng chưa được chú ý nhiều. Bài báo này trình bày các kết quả tổng hợp và khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginate đến các đặc trưng của compozit HA/alginate bằng phương pháp kết tủa trực tiếp.

2. THỰC NGHIỆM

Hóa chất dùng trong các thí nghiệm như Ca(OH)2, H3PO4, đều có độ tinh khiết loại PA (Trung Quốc), etanol 96% có độ tinh khiết cao (Việt Nam). Alginate là sản phẩm được tách từ rong mơ Nha Trang (Việt Nam) do Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang cung cấp. Sản phẩm alginate này có độ sạch 99%, hòa tan nhiều trong nước và kết tinh tốt khi có mặt etanol.

Các mẫu compozit HA/alginate với các hàm lượng HA thay đổi từ 10, 30, 50 và 70 wt.% - ký hiệu tương ứng HA-10, HA-30, HA-50, HA-70, được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp tại nhiệt độ phòng. Huyền phù Ca(OH)2 và dung dịch H3PO4 được chuẩn bị trong nước cất với nồng độ cùng là 0,1 M. Hòa tan alginate vào nước cất với hàm lượng 2% (w/v). Dung dịch H3PO4 và dung dịch alginate được nhỏ đồng thời từng giọt vào huyền phù Ca(OH)2 trên máy khuấy từ với tốc độ 300 vòng/phút. Khi nhỏ hết các dung dịch trên, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 4 giờ. Sau đó, cho thêm vào hỗn hợp một thể tích tương tự etanol để đồng kết tủa alginate và HA, khuấy tiếp 15 phút. Hỗn hợp

để qua đêm, rồi đem ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút để thu sản phẩm. Sau đó, làm khô trong tủ sấy ở 45oC trong 48 giờ rồi nghiền mịn.

Thành phần pha được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, Siemens D5000), hình dạng và kích thước hạt bằng ảnh hiển vi điện tử quét (FE-SEM, Hitachi S4800). Các liên kết trong vật liệu được khảo sát bằng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR, IMPACT 410-Nicolet), đặc trưng nhiệt (DTA-TGA) được thực hiện trên thiết bị phân tích nhiệt (Labsys Evo, Setaram).

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đặc trưng XRD

Giản đồ XRD của mẫu HA và các compozit HA/alginate được đưa ra ở hình 1. Trên các giản đồ đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA (JCPDS 24-0033), không thấy sự có mặt của các pha lạ. Vạch có cường độ mạnh nhất ở vị trí 2θ = 31,8o tương ứng với mặt phẳng (211) và hai vạch có cường độ gần như nhau ở 32,2o và 32,9o tương ứng với các mặt (112) và (300). Ngoài ra, còn có các vạch với cường độ tương đối mạnh ở các vị trí 25,9; 39,8; 46,7 và 49,45o. Sự có mặt của alginate trong compozit không cản trở sự hình thành HA đơn pha và không làm thay đổi đáng kể vị trí các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA. Điều này chứng tỏ sản phẩm chỉ chứa HA đơn pha.

Từ cường độ và độ rộng của các vạch nhiễu có thể nhận xét về sự phụ thuộc kích thước và độ tinh thể HA vào hàm lượng alginate. Khi hàm lượng HA giảm xuống (hàm lượng alginate tăng lên), các vạch đặc trưng trở nên không tách biệt rõ rệt và có cường độ giảm xuống, đồng thời độ rộng của chúng tăng lên, tương ứng với kích thước và độ tinh thể của HA giảm. Chính mạng lưới cấu trúc của alginate đã hạn chế sự phát triển về kích thước và độ tinh thể của hạt HA. Điều này cũng phù hợp với quy luật chung

80

là sự có mặt của polyme đã ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể HA.

Hình 1: Giản đồ XRD của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10

3.2. Đặc trưng FT-IR

Phổ FT–IR của HA đơn pha, alginate và các compozit HA/alginate được trình bày trên hình 2. Như đã biết, HA có 2 nhóm chức là OH- và PO4

3-, alginate có nhóm OH-, COO-, -C-O-C-.Trên phổ của HA đơn pha (hình 2a), các dải hấp thụ ở vị trí 1064 đến 959 cm-1 và 599 cm-1 đặc trưng cho các dao động nhóm PO4

3-. Trên phổ của alginate (hình 2f), các dải hấp thụ ở vị trí 1633 đến 1601 cm-1 và 1414 cm-1 đặc trưng cho các dao động không đối xứng và đối xứng tương ứng của nhóm COO-, còn dải hấp thụ ở vị trí 1092 cm-

1 được gán cho nhóm -C-O-C- (ete vòng). Đối với compozit (hình 2b, 2c, 2d, 2e) đều xuất hiện các dải đặc trưng cho HA và alginate. Vùng từ 3410 đến 3355 cm-1 được gán cho dao động của nhóm OH- trong cấu trúc của HA, alginate và compozit. Dải hấp thụ ở

vùng 2916 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm -CH2- trong alginate và compozit. Ngoài ra, các dải ở 1422 và 828 cm-1 xuất hiện trong phổ của HA đơn pha và compozit được quy cho các ion cacbonat như CO3

2-

, HCO3-. Các ion này có mặt trong HA và compozit có

thể là do sự hấp thụ khí CO2 trong không khí trong quá trình điều chế sản phẩm. Dải phổ ở 1636 cm-1 đặc trưng cho dao động của H2O tự do trong HA. Dải này xuất hiện sắc nét hơn từ 1601–1609 cm-1 với hàm lượng alginate khác nhau trong compozit, có thể quy cho sự chồng chéo nhóm H2O của HA và COO- của alginate. Ngoài ra, sự chuyển dịch từ 1422 cm-1 về số sóng thấp hơn 1416–1414 cm-1 trong compozit cho thấy tồn tại tương tác hóa học nhất định giữa Ca2+ và nhóm COO- của alginate. Như vậy, sự thay đổi nhẹ về vị trí và cường độ các dải hấp thụ của HA và alginate trong compozit chứng tỏ đã có sự tương tác giữa tinh thể HA và alginate.

81

Hình 2: Phổ FT-IR của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10, và (f) alginate

3.3. Đặc trưng SEM

Ảnh SEM của mẫu HA đơn pha, alginate, các compozit HA/alginate được trình bày trên hình 3.

Mẫu HA đơn pha (hình 3a): Tinh thể HA tồn tại ở dạng hình que, biên hạt rõ nét, hạt khá đồng đều, đường kính dưới 40 nm, dài khoảng 130-160 nm.

Mẫu HA-70 (hình 3b): Tinh thể HA vẫn ở dạng hình que. Biên hạt không rõ nét do có lớp vỏ alginate, các hạt kết tập thành từng đám có kích thước không đồng đều. Đường kính của hạt khoảng 15-20 nm, dài 60-90 nm.

Mẫu HA-50 (hình 3c): Các hạt chủ yếu tồn tại dạng hình que và phân bố đều trên chất nền alginate. Các hạt có đường kính khoảng 25-30 nm, chiều dài

125-140 nm, lớn hơn so với mẫu HA-70 có thể do hiện tượng kết tập của các tinh thể HA.

Mẫu HA-30 (hình 3d): Các tinh thể HA chuyển sang dạng gần cầu và phân bố lẫn trong lớp vỏ alginate. Biên hạt compozit không rõ nét, chúng có xu hướng kết tập với nhau và có kích thước khoảng 30-100 nm.

Mẫu HA-10 (hình 3e): Với hàm lượng alginate rất lớn, các hạt HA có kích thước nhỏ nằm lẫn trong khối alginate. Chúng được bao phủ hoàn toàn bởi bề mặt lớp vỏ alginate và kết tập thành khối lớn chắc đặc.

Mẫu alginate (hình 3f): Tồn tại dạng khối vô định hình có nhiều nếp gấp, không tồn tại các biên trong khối.

82

Như vậy, sự có mặt của alginate đã làm thay đổi kích thước và sự phân bố của các hạt HA trong compozit. Alginate như một chất nền để các hạt HA kết tủa và phân tán đồng đều. Tùy thuộc vào hàm

lượng, alginate làm thay đổi hình dạng của tinh thể, kìm hãm sự phát triển kích thước và làm giảm độ tinh thể của HA. Những kết quả ảnh SEM cũng phù hợp với kết quả nhiễu xạ XRD ở trên.

Hình 3: Ảnh SEM của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginate

3.4. Đặc trưng nhiệt (DTA-TGA)

Kết quả phân tích nhiệt (DTA-TGA) với tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút trong N2 của các mẫu compozit là tương tự nhau. Hình 4 là giản đồ phân tích nhiệt của mẫu compozit HA-50. Đường DTA có đỉnh thu nhiệt yếu tại 103,107oC do hiện tượng mất nước ẩm và đỉnh tỏa nhiệt tại 319,645oC được quy cho sự phân hủy nhiệt của compozit. Quá trình giảm khối lượng của

mẫu được thể hiện trên đường TGA, gồm 3 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất từ nhiệt độ phòng đến 165oC ứng với đỉnh thu nhiệt đầu tiên trên DTA, khối lượng mẫu giảm 13,493% do hiện tượng mất nước ẩm. Giai đoạn thứ 2 từ 165 đến 355oC tương ứng với đỉnh tỏa nhiệt trên DTA, khối lượng mẫu giảm 21,198% do các quá trình cháy và phân hủy nhiệt alginate. Trong giai đoạn thứ 3, từ 335 đến 800oC, khối lượng mẫu giảm nhẹ và từ từ (7,084%) được gán cho sự phân hủy nhiệt tiếp

tục của alginate đến cacbon và của các gốc cacbonat có trong mẫu. Do mẫu HA-50 được đo trong môi trường N2 nên khối lượng mẫu chỉ giảm khoảng 42%, sản phẩm còn lại sau khi phân hủy nhiệt là cacbon.

Hình 4: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit

HA-50

4. KẾT LUẬN

Đã khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginate đến đặc trưng của compozit HA/alginate tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp. Các kết quả khảo sát cho thấy, tinh thể HA trong compozit tồn tại dạng đơn pha, có kích thước cỡ nanomet. Giữa HA và alginate có tương tác hóa học giữa các nhóm chức của HA và nhóm chức của alginate. Tùy thuộc vào hàm lượng trong compozit, chất nền alginate làm thay đổi hình thái học từ dạng que sang dạng gần cầu, đồng thời làm giảm kích thước và độ tinh thể của HA.

Lời cảm ơn:

Các tác giả cảm ơn đề tài KC.07.14/11-15 đã hỗ trợ kinh phí để thực hiện nghiên cứu này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Tang Qi-Li, Zhu Ying-Jie, Wu Jin, Chen Feng, Cao Shao-Wen. Calcium phosphate drug nanocarriers with ultrahigh and adjustable drug loading capacity: one-step synthesis, in-situ drug loading and prolonged drug release, Nanotechnol. Biol. Med., 7, 428-34, (2011).

2. Khotimchenko Y.S., Kovalev V.V., Savchenko O.V., Ziganshina O.A. Physical-chemical properties, physiological activity, and usage of alginates, the polysaccharides of brown algae, Marine Pharmacol., 27, 53-64, (2001).

3. Li Wang, Yue Li, Chunzhong Li. In situ processing and properties of nanostructured hydroxyapatite/alginate composite, J. Nanopart. Res., 11, 691-699, (2009).

4. Taesik Chae, Heejae Yang, Victor Leung, Frank Ko, Tom Troczynski. Novel biomimetic hydroxyapatite/alginate nanocomposite fibrous scaffolds for bone tissue regeneration, Mater. Med., 24, 1885-1894, (2013).

5. Ferraz M.P., Monteiro F.J., Manuel C.M. Hydroxyapatite Nanoparticles: A Review of Preparation Methodologies, Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics, 2(1), 74-80, (2004).

6. Andrew T. Metters, Chien Chi Li. Biodegradable Hydrogels: Tailoring Properties and Function through Chemistry and Structure, Biomaterials, Taylor & Francis Group, LLC, 110-153, (2007).

7. Roderic S. Lakes. Composite Biomaterials, Biomaterials, Taylor & Francis Group, LLC, 96-109, (2007).

8. Lin Hong-Ru, Yeh Yu-Jen. Porous alginate/hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering: preparation, characterization, and in vitro studies, J. Biomed. Mater. Res., 71B, 52-65, (2004).

9. Malkaj P., Pierri E., Dalas E. The crystallization of hydroxyapatite in the presence of sodium alginate, J. Mater. Med., 16, 733-7, (2005).

Documents

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC