Tiểu luận cuối kì Môn học VẬT LIỆU CERAMIC TRICALCIUM PHOSPHATE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG  TRICALCIUM PHOSPHATE Tiểu luận cuối kì Mơn học : VẬT LIỆU CERAMIC MÃ SỐ LỚP HỌC PHẦN :CEMA221012_22_1_01 GVHD :PGS TS Phạm Trung Kiên NHĨM THỰC HIỆN : Nhóm 12 HỌC KỲ: I - Năm Học: 2022-2023 TP.Hồ Chí Minh Tháng 10 năm 2022 DANH SÁCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT HỌ VÀ TÊN SV MSSV MỨC ĐỘ HOÀN THÀNH (%) Phạm Nguyễn Minh Nhật 20130049 100 Nguyễn Thị Ngân 20130045 100 Nguyễn Thị Bảo Ngọc 20130047 100 ĐIỂM ĐIỂM (BẰNG SỐ) (BẰNG CHỮ) NHẬN XÉT CỦA GV: GV KÍ TÊN TS Phạm Trung Kiên MỤC LỤC MỞ ĐẦU I Lý chọn đề tài II Mục đích nghiên cứu III Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ TRICALCIUM PHOSPHATE .3 I Lịch sử phát triển .3 II cấu trúc tính thể TCP III Tính chất vật lý TCP .6 CHƯƠNG : PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG I Các phương pháp tổng hợp TCP Quá trình tổng hợp TCP từ hóa chất tinh khiết Tổng hợp TCP phương pháp học Tổng hợp bột gốm sinh học β-TCP phản ứng hai giai đoạn Phương pháp tổng hợp tricalcium phosphate ( TCP ) từ Ca(NO3 ) (NH4) HPO phân hủy kép Phương pháp tổng hợp tricalcium phosphate ( TCP ) lần trung hòa từ CaCO H PO 11 II Ứng dụng TCP 12 Ứng dụng lĩnh vực y sinh 12 Ứng dụng thực phẩm chức .16 Ứng dụng thực phẩm .17 Ứng dụng nha khoa 18 CHƯƠNG : TỔNG KẾT 19 I kết bàn luận chung: 19 XRD: 19 SEM: 20 Kết luận .21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình : cấu trúc mạng tinh thể  -TCP  -TCP Hình 2: Cấu trúc tinh thể dạng lập phương Hình : phổ XRD  -TCP chuẩn Hình 4: Bột Tricalcium Phosphate Hình 5: sơ đồ tổng hợp TCP từ hóa chất tinh khiết Hình 6: Ảnh chụp X quang bé gái 13 tuổi bị gãy chân Hình 7: Ảnh chụp X quang phụ nữ 24 tuổi mắc chứng loạn sản hơng Hình 8: X quang trước sau phụ nữ 58 tuổi bị thối hóa khớp gối ngăn trung gian Hình 9: Hình ảnh CT phụ nữ 58 tuổi cho thấy trung tâm mặt phẳng tiêu xương tuần Hình 10: TCP thực phẩm chức Hình 11: XRD ß-TCP thiêu kết 900 ° C Hình 12 : Ảnh hiển vi SEM ß-TCP thiêu kết 900 ° C Hình 13: Thành phần bột xác định SEM-EDS cho nhiệt độ nung 900 ºC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tricalcium phosphate - TCP Hydroxyapatite - HA X-Ray diffection - XRD Kính hiển vi điển tử quét - SEM MỞ ĐẦU  I Lý chọn đề tài Cùng tiến khoa học kỹ thuật ngày yêu cầu sống cao Trong đó, vấn đề sức khỏe người đặt lên hàng đầu Việc chữa trị bệnh, đăc biệt việc cấy ghép xương cho người đòi hỏi cần sử dụng đến loại vật liệu khác kim loại, hợp kim,… Tuy nhiên, người ta dần phát vài tác dụng không tốt loại vật liệu khả tương thích sinh học thấp, khơng có liên kết chặt chẽ với xương,… Bioceramics hay gốm y sinh loại vật liệu có tính tương thích sinh học cao sử dụng nhiều thủ thuật y tế mà quan trọng số phẫu thuật cấy ghép Một loại gốm y sinh nhiều ứng dụng lĩnh vực chỉnh hình nha khoa Tricalcium phosphate (TCP) So với loại vật liệu sử dụng thủ thuật xương, trước TCP có tính chất tốt trơ môi trường thể người, khả hoạt động sinh học tốt, có màu sắc sáng trắng bền học… Ở Việt Nam nay, Tricalcium phosphate sử dụng nhiều thủ thuật thay xương bả chè, xương hông, răng, Đây loại vật liệu có nhiều ưu điểm khả ứng dụng cao lĩnh vực y sinh nên nhóm em lựa chọn vật liệu để nghiên cứu cho báo cáo cuối kì để hiểu tính chất, ứng dụng cách để tổng hợp tricalcium phosphate II Mục đích nghiên cứu Beta-tricalcium phosphate ( β -TCP) hydroxyapatite (HA) sử dụng rộng rãi làm chất kéo dài ghép xương tính dẫn tạo xương hoạt tính sinh học cao chúng HA thường sử dụng làm chất ghép xương trình hợp cột sống tương hợp sinh học tạo liên kết hóa học với xương xung quanh Tuy nhiên, giịn khó đạt tu sửa hoàn toàn mức độ tái hấp thu thấp sau chèn β -TCP gần nhận ý đáng kể chất phụ ghép xương tính tương thích sinh học khả phân hủy sinh học Việc nghiên cứu nhằm đánh giá trình tạo xương tiềm vật liệu trước ứng dụng lâm sàng cần thiết III Ý nghĩa thực tiễn Sự cần thiết thay ghép xương dần tăng lên lĩnh vực phẫu thuật hàm mặt phẫu thuật chỉnh hình để cải thiện trình chữa lành khiếm khuyết xương kết hợp xương Tricalcium phosphate số bệnh viện sử dụng làm vật liệu cấy ghép thay xương khiếm khuyết β -TCP từ lâu sử dụng chất kéo dài mảnh ghép xương biết có tính dẫn xuất xương cao Mặc dù vật liệu có độ tái hấp thụ cao có nguy thấp vật chất lạ khơng bên thể, tốc độ hợp xương tốc độ liền xương giảm xuống trình tiêu hủy xảy trước hình thành xương Trong thí nghiệm động vật, β -TCP bị thối hóa trình tái tạo xương cuối thay xương trưởng thành Sự tái hấp thu qua trung gian tế bào hủy xương đóng vai trị quan trọng q trình hình thành xương tượng giống khớp nối xảy vùng cấy β -TCP Sự hấp thu β -TCP thay xương chịu ảnh hưởng môi trường vật chủ cấu trúc tế bào TCP CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ TRICALCIUM PHOSPHATE I Lịch sử phát triển Tricalcium phosphate Bioceramic có cơng thức phân tử Ca 3(PO4)2 Nó cịn gọi tribasic canxi photphat tro xương ( TCP sản phẩm q trình đốt cháy xương) TCP tìm thấy tự nhiên trạng thái rắn tinh thể nằm răng, xương động vật có xương sống hay loại khống sản đặc biệt quặng apatit, thường có cơng thức Ca5(PO)3X (X F, Cl, OH hỗn hợp), X OH gọi Hydroxyapatite (HA) Năm 1920, Albee Morrison công bố báo cáo sử dụng thành công tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2 việc phục hồi khiếm khuyết xương Trong nghiên cứu này, khoảng thời gian trung bình để xương khiếm khuyết hồi phục tăng lên từ 41 ngày cịn 31 ngày Ngồi ra, báo cáo cịn khẳng định tất loại muối canxi sử dụng Ví dụ, nghiên cứu sử dụng canxi hydroxide cho thấy có xu hướng kìm hãm việc hinh thành xương non β -tri calcium phosphate ( β -TCP) với cơng thức hóa học Ca3(PO4 )2 - thành phần cấu tạo nên xương tự nhiên số loại vật liệu quan tâm khảo sát có ứng dụng nhiều vật liệu y sinh, thay hay cấy ghép xương nhiều vị trí khác Mặc dù α-TCP β-TCP có thành phần hóa học, chúng khác cấu trúc tinh thể độ hòa tan, với độ hòa tan β -TCP phù hợp cho trình tái tạo xương Sự phát triển ứng dụng vật liệu gốm y sinh tập trung chủ yếu lĩnh chỉnh hình nha khoa Trong lĩnh vực chỉnh hình, bioceramics có nhiều tính chất hóa học giống xương tự nhiên so với loại vật liệu khác Tương tự, nha khoa ứng dụng gốm y sinh dựa vào tương tác giống vật liệu thiết kế II cấu trúc tính thể TCP TCP trạng thái tinh thể tồn hai cấu trúc  -TCP  -TCP  -TCP hình thành từ trình tổng hợp điều kiện thường, cách dễ hiểu hình thành nhiệt độ thấp Trong đó,  -TCP tổng hợp nhiệt độ cao (khoảng 1200oC) Trong tự nhiên tìm thấy  -TCP khống Whitlockite Whitlockite loại khống sản tương đối thường tìm thấy quặng đá phosphate hay đá hoa cương pegmatites có cơng thức phân tử Ca9(MgFe)(PO4)6PO3OH , khơng màu có màu xám – trắng…, có độ cứng (theo thang đo độ cứng Mohs) Hình : cấu trúc mạng tinh thể  -TCP  -TCP Dựa vào phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X ta biết liệu cấu trúc mạng tinh thể hai trạng thái TCP:  Cấu trúc ô mạng tinh thể  -TCP thuộc dạng lục phương với thông số ô mạng tinh thể hệ tọa độ ba chiều sau:  a = b = 10,4352 A; c = 37,4029 A;  =  = 90o ;  = 120o Cấu trúc ô mạng tinh thể  -TCP thuộc dạng hình lục phương với thơng số mạng hệ tọa độ ba chiều sau:  a = 12,87271; b = 27,28034; c = 15,21275;  =  = 90o ;  = 126,2078o Hình 2: Cấu trúc tinh thể dạng lập phương Hình : phổ XRD  -TCP chuẩn Dựa vào thông số hai loại cấu trúc cho thấy  -TCP gần giống dạng nới lỏng  -TCP, mật độ nhỏ so với  -TCP - Dung dịch B: 25,74 g amoni đihiđro photphat (NH ) HPO hòa tan 1300 ml nước cất khử cacbon (0,15 M) Thêm vào dung dịch 40 ml amoniac nguyên chất (d = 0,92) Kết tủa thực nhiệt độ 37 ± 0,1 ° C cách rót nhanh, có khuấy dung dịch A bình phản ứng lít chứa dung dịch B kết tủa khỏi rượu mẹ cách lọc phễu buchner , rửa nhiều lần nước cất có chứa amoniac Sau đó, làm khô 80 ° C qua đêm Sản phẩm không làm khô thu điều kiện vơ định hình mơ tả theo công thức sau: Ca (PO ) , nH O Beta tricalcium phosphate (βTCP) điều chế cách nung kết tủa tổng hợp 900 ° C Đây giai đoạn chuyển tiếp trình kết tủa apatit bị thiếu hụt Tricalcium phosphate vơ định hình đặc trưng nhiễu xạ tia X vầng hào quang rộng tương ứng với sản phẩm vơ định hình Chán nản Tricalcium phosphate dạng kết tinh nhiệt độ thấp tricalcium phosphate vơ định hình Nó trình bày cơng thức hóa học khác q trình kết tinh, xảy đồng thời thủy phân bên nhóm PO thành cấu trúc apatit hợp chất có cơng thức sau: CA (HPO ) (PO ) (OH) 10 3- Sau tạo Phương pháp tổng hợp tricalcium phosphate ( TCP ) lần trung hòa từ CaCO H PO Chúng đề xuất điều chế apatit tricalcium phosphate từ thuốc thử giá rẻ có sẵn canxi cacbonat, CaCO làm nguồn canxi axit photphoric H PO làm nguồn phốt phát phương pháp Heughebaert thiết lập - Dung dịch A điều chế từ phản ứng 66 g canxi cacbonat CaCO 91,4 ml axit nitric HNO (d = 1,4 P = 65%) theo phản ứng sau: CaCO + 2HNO Ca(NO3)2 + H2O + CO2 Sau hịa tan hồn tồn chất rắn làm lạnh dung dịch pha loãng đến 550 ml nước cất sau 40 ml amoniac tinh khiết khử cacbon (d = 0,92 ) - Dung dịch B thu trung hòa 30 ml axit orthophosphoric H PO (d = 1,68 p = 85%) amoniac nguyên chất (d = 0,92) theo phản ứng sau: H PO + 2NH OH ( NH ) + H2O2HPO Sau làm nguội dung dịch thứ e, hỗn hợp hoàn thành đến 1300 ml nước cất khử cacbon Mặt khác, người ta tiến hành kết tủa rắn cách cho nhanh dung dịch B vào bình phản ứng có dung tích lít chứa sẵn dung dịch A nhiệt độ 60 oC Độ pH môi trường phản ứng giữ không đổi giá trị cách bổ sung amoniac tinh khiết (d = 0,92) bơm định lượng điều khiển số pH kết nối với điện cực đo độ pH Sau khuấy nhiệt độ 11 tổng hợp, sản phẩm tạo thành lọc buchner , rửa sạch, sấy khô 80 ° C nung 900 ° C khơng khí II Ứng dụng TCP Tricalcium Phosphate được ứng dụng rộng rãi lĩnh vực:  Trong ngành công nghiệp thực phẩm, TCP sử dụng tác nhân chống đóng cứng, bổ sung dinh dưỡng, điều chỉnh pH đệm  Tricanxi photphat sử dụng gia vị dạng bột chất chống ăn mịn, ví dụ ngăn ngừa muối ăn từ việc làm bánh Nó tìm thấy bột trẻ em kem đánh  Ca3(PO4)2 sử dụng làm phân bón  Tricalcium phosphate sử dụng ngành sành sứ, tráng men, đồ gốm  Ngoài ra, Tricanxi Photphat dùng làm phụ gia thức ăn chăn nuôi công nghiệp dệt may  Tricalcium Phosphate nhiều muối canxi khác tìm thấy chất bổ sung chế độ ăn uống  Hợp chất sử dụng chất bổ sung dinh dưỡng tồn tự nhiên sữa bò TCP ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực khác thực phẩm, công nghiệp đặc biệt đóng vai trị quan trọng y học Ứng dụng lĩnh vực y sinh Trong tất ứng dụng TCP ứng dụng lĩnh vực xương chỉnh hình xem quan trọng Như biết hình thành xương thể người gần giống hình thành hydroxyapatite (HA) hoạt tính sinh học chúng tương tự Khi cấy loại vật liệu vào chỗ xương bị khuyết tật người ta thấy khơng liên kết trực tiếp với xương sống ta cần phải đưa thêm chất bề mặt vật liệu làm chúng có khả liên kết trực tiếp với xương sống, chất HA Một loại Bioceramics TCP biết đến chất tự phân hủy sinh học thể người để tạo HA -  -TCP chuyển hóa thành 12 HA thơng qua q trình thủy phân Tuy nhiên loại  -TCP có khả thủy phân tạo thành HA mà phụ thuộc vào phần trăm lỗ rỗng bề mặt  -TCP Hydroxyapatite (HA) sử dụng rộng rãi chất thay xương tính tương hợp sinh học tính chất tạo xương tuyệt vời [3] Tuy nhiên, HAP có số nhược điểm, chẳng hạn phân hủy sinh học chậm trình sửa chữa khuyết tật xương [4] Xi măng canxi photphat (CPC) có tính tương hợp sinh học tốt, hoạt tính sinh học, nhiệt độ đơng kết thấp, độ cứng thích hợp Tuy nhiên, tốc độ tái hấp thu chậm –TCP gần nhận ý đáng kể chất phụ ghép xương tính tương thích sinh học khả phân hủy sinh học Trong thí nghiệm động vật, -TCP bị thối hóa q trình tái tạo xương cuối thay xương trưởng thành Sau vài trường hợp ứng dụng TCP để thay xương: Trường hợp : Một bé gái 13 tuổi Một mảnh ghép dài 18 cm lấy để ghép tủy sống, khối -TCP đặt màng xương lại Một năm tháng sau cấy ghép, xương mác cấu trúc lại gần hoàn toàn Hai mươi năm sau phẫu thuật, xương tủy xương giữ nguyên hình dạng ban đầu xương mác 13 Hình 6: Ảnh chụp X quang bé gái 13 tuổi (ảnh bên trái Trái) Một đoạn dài 18 cm xương mác lấy cho hợp tủy sống, khối TCP đặt màng xương lại ( ảnh ) Sự hấp thu -TCP hình thành xương vỏ não quan sát thấy sau 18 tháng sau phẫu thuật Đúng Hai mươi năm sau cấy ghép, xương mác tái tạo hoàn toàn Trường hợp 2: Một phụ nữ 24 tuổi bị loạn sản xương hông Phẫu thuật cắt xương acetabular Rota thực khối -TCP với độ xốp 60% cấy vào xương acetabular quay phần xương lại Mười năm sau phẫu thuật, khối -TCP có độ xốp 60% phục hồi hoàn toàn thay xương Những thay đổi xương khớp hông Hình 7: ( Trái) Ảnh chụp X quang phụ nữ 24 tuổi mắc chứng loạn sản hông (Giữa) Phẫu thuật cắt xương axetab quay thực khối -TCP với độ xốp 60% cấy vào xương axetab xoay xương lại 14 Mười năm sau phẫu thuật, khối -TCP có độ xốp 60% phục hồi hồn tồn thay xương (Phải) Các thay đổi xương khớp hông tối thiểu Mũi tên khối -TCP có độ xốp 60% Sau đặt Puddu, phần khuyết xương hủy lấp đầy khối -TCP hình nêm với độ xốp 75% Sau đó, ba khối -TCP hình nêm với độ xốp 60% cấy vào phía trước (2 khối) phía sau (1 khối) (Hình 7, 8) Sáu năm sau phẫu thuật, khối -TCP với độ xốp 75% phục hồi hoàn toàn thay xương, lượng nhỏ -TCP với độ xốp 60% cịn Hình 8: X quang trước sau phụ nữ 58 tuổi bị thối hóa khớp gối ngăn trung gian Mở xương chày cao (HTO) thực cách sử dụng khối TCP với độ xốp 60 75% (Trái) Sau đặt Puddu, phần khuyết xương hủy lấp đầy khối –TCP hình nêm với độ xốp 75%, sau ba khối -TCP hình nêm với độ xốp 60% cấy vào phía trước (2 khối) phía sau (1 khối) Đúng Sáu năm sau phẫu thuật, hầu hết -TCP tái hấp thu Các đường đứt đoạn cho biết tâm máy bay cắt xương 15 ... Đây loại vật liệu có nhiều ưu điểm khả ứng dụng cao lĩnh vực y sinh nên nhóm em lựa chọn vật liệu để nghiên cứu cho báo cáo cuối kì để hiểu tính chất, ứng dụng cách để tổng hợp tricalcium phosphate. .. so với  -TCP III Tính chất vật lý TCP  Cơng thức: Ca3(PO4)2  Tên khác: Tricalcium Phosphate, Tricalcium Orthophosphate; Tertiary Calcium Phosphate, Tricalcium bis (phosphate) ,…  Thành phần %:... đến loại vật liệu khác kim loại, hợp kim,… Tuy nhiên, người ta dần phát vài tác dụng không tốt loại vật liệu khả tương thích sinh học thấp, khơng có liên kết chặt chẽ với xương,… Bioceramics