Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu tổng hợp canxi hidroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển nha trang (việt nam)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIÊT NAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HỐ 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) Chun ngành : Hóa Vơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐÀO QUỐC HƯƠNG LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Đào Quốc Hương ThS Nguyễn Thị Lan Hương tận tình hướng dẫn, bảo em thời gian thực đề tài luận văn Em xin chân thành cảm ơn cô, chị cơng tác Phịng Hóa Vơ – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, anh chị em, bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Phạm Thị Ngọc Bích LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 HYDROXYAPATIT (HA) 1.1.1 Tính chất HA 1.1.1.1 Tính chất vật lý 1.1.1.2 Tính chất hóa học 1.1.1.3 Tính chất sinh học 1.1.2 Các ứng dụng vật liệu HA 1.1.3 Các phương pháp tổng hợp HA 1.1.3.1 Phương pháp kết tủa 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 alginat 14 1.2.3.3 Tính chất alginat 14 1.2.2.4 Ứng dụng alginat 17 1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT 18 1.3.1 Vật liệu compozit HA polyme 18 1.3.1.1 Tình hình nghiên cứu 18 1.3.1.2 Tính chất ứng dụng 20 1.3.1.3 Phương pháp điều chế 21 1.3.2 Vật liệu compozit HA 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 hóa chất 31 2.1.1 Dụng cụ: 31 2.1.2 Thiết bị: 31 2.1.3 Hóa chất: 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.2 Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 32 2.3 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm 33 2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng alginat 33 2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 34 2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ cấp axit 34 2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng dung môi 34 2.3.5 Khảo sát ảnh hưởng thời gian già hóa 35 2.3.6 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn 35 2.3.7 Khảo sát ảnh hưởng điều kiện làm khô sản phẩm 35 2.3.8 Khảo sát sơ ảnh hưởng 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 khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm 39 3.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng alginat 39 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 46 3.2.3 Ảnh hưởng tốc độ cấp axit 49 3.2.4 Ảnh hưởng dung môi 52 3.2.5 Ảnh hưởng thời gian già hóa 55 3.2.6 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn 57 3.2.7 Ảnh hưởng điều kiện làm khô sản phẩm 59 3.2.8 Khảo sát ảnh hưởng sóng siêu âm 61 KẾT LUẬN 65 CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ĐÃ CƠNG BỐ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HA Canxi hydroxyapatit HA/Alg Compozit HA 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ảnh hưởng hàm lượng alginat đến kích thước HA compozit 40 Bảng 3.2: Ảnh hưởng nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình độ tinh thể HA compozit HA/Alg………………………………………… 47 Bảng 3.3: Ảnh hưởng tốc độ cấp axit H3PO4 đến kích thước trung bình độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………… 50 Bảng 3.4: Ảnh hưởng thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………… 56 Bảng 3.5: Ảnh hưởng tốc khuấy đến kích thước trung bình độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………………… 58 Bảng 3.6: Ảnh hưởng sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình độ tinh thể compozit HA/Alg………………………………… 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh SEM dạng tồn tinh thể HA………………………… Hình 1.2: Cấu trúc mạng sở tinh thể HA……………………………… Hình 1.3: Cơng thức cấu tạo 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 phương pháp khác nhau……… Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật xương gốm HA dạng khối xốp dạng hạt…………………………………………………………………… Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý phương pháp kết tủa……………………… 10 Hình 1.8: Quá trình tạo vỡ bọt tác dụng sóng siêu âm…………… 11 Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc alginat…………………………………… 14 Hình1.10: Các mơ hình liên kết ion Ca2+ alginat a) Mơ hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết block G với ion canxi……… 16 Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS…………………………… 23 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí phương pháp nhiễu xạ tia X………………… 26 Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước độ tinh thể HA 27 Hình 1.14: Sơ đồ ngun lí phương pháp SEM…………………………… 28 Hình 1.15: Nguyên tắc chung phương pháp hiển vi điện tử……………… 29 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg 32 Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg 33 Hình 3.1: Giản đồ XRD HA compozit với hàm lượng alginat khác 39 Hình 3.2: Ảnh SEM (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 (f) alginat 41 Hình 3.3: Ảnh TEM (a) mẫu HA đơn pha (b) mẫu HA-50…………… 42 Hình 3.4: Phổ FTIR (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 (f) alginat 43 Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA mẫu compozit HA-50……………………… 44 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.6: Giản đồ XRD compozit HA/Alg nhiệt độ phản ứng khác 45 Hình 3.7: Ảnh SEM mẫu compozit HA/Alg nhiệt độ (a) 30oC (b) 50oC 47 Hình 3.8: Phổ FTIR mẫu compozit HA/Alg nhiệt độ phản ứng khác 48 Hình 3.9: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tốc độ cấp axit khác nhau…………………………………………………………………………… 49 Hình 3.10: Phổ FTIR compozit HA/Alg tổng hợp tốc độ cấp axit 51 Hình 3.11: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tổng hợp dung môi…… 52 Hình 3.12: Ảnh SEM compozit HA/Alg tổng hợp dung mơi khác nhau…………………………………………………………………………… 53 Hình 3.13: Phổ FTIR compozit HA/Alg tổng hợp dung môi 54 Hình 3.14: Giản đồ XRD compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác Hình 3.15: Phổ FTIR compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau… Hình 3.16: Giản đồ XRD HA compozit HA/Alg tổng hợp tốc độ khuấy khác nhau………………………………………………………… Hình 3.17: Phổ FTIR compozit HA/Alg tổng hợp tốc độ khuấy khác nhau……………………………………………………………………… Hình 3.18: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tổng hợp hai điều kiện làm khơ………………………………………………………………………… Hình 3.19: Ảnh SEM (a) HA-10, (b) HA-50, (a’) HA-Đ10 (b’) HA-Đ50 Hình 3.20: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tổng hợp điều kiện khơng có sóng siêu âm (P1) có sóng siêu âm (P2)……………………… Hình 3.21: Ảnh SEM compozit HA/Alg tổng hợp điều kiện khơng có sóng siêu âm (P1) có sóng siêu âm (P2)…………………………… Hình 3.22: Phổ FTIR compozit HA/Alg tổng hợp điều kiện khơng có sóng siêu âm (P1) có sóng siêu âm (P2)…………………………… 55 56 57 59 60 60 62 63 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Canxi hydroxyapatit (hay cịn gọi hydroxyapatit - HA), cơng thức Ca5(PO4)3(OH) Ca10(PO4)6(OH)2, muối kép tri - canxi photphat canxi hydroxit Còn apatit tồn tự nhiên dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2 Trong thể người động vật, HA thành phần xương (chiếm 65 - 70% khối lượng) (chiếm 99%) [10, 16] HA có đặc tính q giá như: Có hoạt tính độ tương thích sinh học cao với tế bào mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến tái sinh xương nhanh mà khơng bị thể đào thải,… [12] Nó dạng canxi photphat dễ hấp thu thể người với tỷ lệ Ca/P tỷ lệ Ca/P tự nhiên xương [28] Việc nghiên cứu sử dụng vật liệu sinh học HA với mục đích thay sửa chữa khuyết tật xương bệnh lý tai nạn ngày phát triển Các chế phẩm HA kích thước khác có ứng dụng khác Ở dạng màng, lớp HA mỏng, siêu mịn tạo nên lớp men răng, chi tiết nối xương lớp phủ bề mặt cho xương nhân tạo HA dạng khối xốp dùng điền đầy hốc bị sâu vết rạn nứt xương tự nhiên, làm xương nhân tạo mà không bị thể đào thải Ở dạng bột, HA kích thước nano (20 - 100 nm) dùng làm thuốc thực phẩm bổ sung canxi, tăng cường khả hấp thụ canxi thể, ngăn ngừa điều trị bệnh loãng xương HA dạng bột sử dụng để thay xương làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả tương thích vật liệu cấy ghép [21, 52] Để nâng cao đặc tính HA ứng dụng dược học y sinh học, xu hướng tạo vật liệu compozit cách phân tán HA vào polyme sinh học Trong vật liệu này, nhóm chức photphat hydroxyl HA tạo liên kết với nhóm chức polyme Mặt khác, nhóm chức polyme có khả tạo liên kết tốt với tế bào sinh học, nâng cao tính tương thích sinh học vật liệu khả hấp thụ thể Các polyme tập trung nghiên cứu theo hướng polyme tự nhiên collagen, chitosan, alginat, hay polyme tổng hợp poly (lactide-co-galactide) làm chất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 634638 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 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 71 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 polyethylenecomposites 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 72 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PHỤ LỤC A Giản đồ nhiễu xạ tia X số compozit HA/Alg Hình A.1: Giản đồ XRD compozit HA-50 Hình A.2: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tổng hợp 50oC 73 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình A.3: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tổng hợp dung môi D2 (hỗn hợp nước etanol) Hình A.4: Giản đồ XRD compozit HA/Alg tổng hợp dung môi D3 (etanol) B Phổ hồng ngoại alginat số compozit HA/Alg 74 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình B.1: Phổ hồng ngoại alginat Hình B.2: Phổ hồng ngoại compozit HA/Alg tổng hợp tốc độ khuấy V3 (450 – 500 vòng/phút) 75 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình B.3: Phổ hồng ngoại compozit HA/Alg tổng hợp tốc độ cấp axit S3 (6 ml/phút) Hình B.4: Phổ hồng ngoại compozit HA-70 C Giản đồ phân tích nhiệt (DTA-TGA) compozit HA-50 76 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình C.1: Giản đồ DTA-TGA mẫu compozit HA-50 77 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên Khoa Hóa học, Trường Đại học Đồng Tháp Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học 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 hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2 - HA) thành phần khung xương người, có hoạt tính độ tương thích sinh học với tế bào mơ HA dạng canxi photphat dễ hấp thụ với tỷ lệ Ca/P tỷ lệ Ca/P tự nhiên xương [5] GIỚI THIỆU Những tiến thập kỷ qua góp phần đáng kể vào phát triển phương pháp trị liệu thông qua công nghệ mô, vật liệu truyền dẫn thuốc [1] Alginate polyme sinh học, dạng muối natri axit alginic (C6H8C6)n chiết tách từ rong biển Chúng cấu tạo từ hai monome axit β-D-mannuronic axit α-L-guluronic nối với qua liên kết glycosit (1-4) Với đặc tính polyme ưa nước, khơng độc tính, có tương thích sinh học giá thành phù hợp, alginate sử dụng nhiều ứng dụng y sinh học công nghệ mô, sụn, da, truyền dẫn thuốc, làm vải băng bó vết thương, vật liệu làm khn răng… [2-4] Canxi Để nâng cao đặc tính HA ứng dụng y sinh học, xu hướng tạo vật liệu compozit cách phân tán HA vào polyme sinh học Các polyme sử dụng vừa làm chất nền, vừa có khả tạo liên kết với tế bào thông qua nhóm chức, đồng thời hạn chế phát triển kích thước tượng kết tập HA [6, 7] Vật liệu compozit sinh học sở HA alginate đa dạng ứng rộng rãi 78 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cơng nghệ mơ, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn để qua đêm, đem ly tâm với tốc độ 5000 thuốc, nha khoa… vịng/phút để thu sản phẩm Sau đó, làm khô tủ sấy 45oC 48 nghiền mịn Tổng hợp compozit HA/alginate theo phương pháp kết tủa trực tiếp tạo điều kiện thuận lợi cho hình thành tương tác hóa học HA polyme [8, 9] Thành phần pha xác định phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD, Siemens D5000), hình dạng kích thước hạt ảnh hiển vi điện tử quét (FE-SEM, Hitachi S4800) Các liên kết vật liệu khảo sát phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR, IMPACT 410-Nicolet), đặc trưng nhiệt (DTA-TGA) thực thiết bị phân tích nhiệt (Labsys Evo, Setaram) Trên giới, việc tổng hợp vật liệu compozit HA/alginate khảo sát đặc tính chúng phát triển Trong nước, nghiên cứu phân tán HA vào polyme sinh học nói chung alginate nói riêng chưa ý nhiều Bài báo trình bày kết tổng hợp khảo sát ảnh hưởng hàm lượng alginate đến đặc trưng compozit HA/alginate phương pháp kết tủa trực tiếp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng XRD THỰC NGHIỆM Giản đồ XRD mẫu HA compozit HA/alginate đưa hình Trên giản đồ xuất vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA (JCPDS 24-0033), khơng thấy có mặt pha lạ Vạch có cường độ mạnh vị trí 2θ = 31,8o tương ứng với mặt phẳng (211) hai vạch có cường độ gần 32,2o 32,9o tương ứng với mặt (112) (300) Ngồi ra, cịn có vạch với cường độ tương đối mạnh vị trí 25,9; 39,8; 46,7 49,45o Sự có mặt alginate compozit khơng cản trở hình thành HA đơn pha khơng làm thay đổi đáng kể vị trí vạch nhiễu xạ đặc trưng HA Điều chứng tỏ sản phẩm chứa HA đơn pha Hóa chất dùng thí nghiệm Ca(OH)2, H3PO4, có độ tinh khiết loại PA (Trung Quốc), etanol 96% có độ tinh khiết cao (Việt Nam) Alginate sản phẩm tách từ rong mơ Nha Trang (Việt Nam) Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Nha Trang cung cấp Sản phẩm alginate có độ 99%, hịa tan nhiều nước kết tinh tốt có mặt etanol Các mẫu compozit HA/alginate với hàm lượng HA thay đổi từ 10, 30, 50 70 wt.% - ký hiệu tương ứng HA-10, HA-30, HA-50, HA-70, tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp nhiệt độ phòng Huyền phù Ca(OH)2 dung dịch H3PO4 chuẩn bị nước cất với nồng độ 0,1 M Hòa tan alginate vào nước cất với hàm lượng 2% (w/v) Dung dịch H3PO4 dung dịch alginate nhỏ đồng thời giọt vào huyền phù Ca(OH)2 máy khuấy từ với tốc độ 300 vòng/phút Khi nhỏ hết dung dịch trên, tiếp tục khuấy hỗn hợp Sau đó, cho thêm vào hỗn hợp thể tích tương tự etanol để đồng kết tủa alginate HA, khuấy tiếp 15 phút Hỗn hợp Từ cường độ độ rộng vạch nhiễu nhận xét phụ thuộc kích thước độ tinh thể HA vào hàm lượng alginate Khi hàm lượng HA giảm xuống (hàm lượng alginate tăng lên), vạch đặc trưng trở nên không tách biệt rõ rệt có cường độ giảm xuống, đồng thời độ rộng chúng tăng lên, tương ứng với kích thước độ tinh thể HA giảm Chính mạng lưới cấu trúc alginate hạn chế phát triển kích thước độ tinh thể hạt HA Điều phù hợp với quy luật chung 79 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com có mặt polyme ảnh hưởng đến phát triển tinh thể HA Hình 1: Giản đồ XRD (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 vùng 2916 cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm CH2- alginate compozit Ngồi ra, dải 1422 828 cm-1 xuất phổ HA đơn pha compozit quy cho ion cacbonat CO32, HCO3- Các ion có mặt HA compozit hấp thụ khí CO2 khơng khí q trình điều chế sản phẩm Dải phổ 1636 cm-1 đặc trưng cho dao động H2O tự HA Dải xuất sắc nét từ 1601–1609 cm-1 với hàm lượng alginate khác compozit, quy cho chồng chéo nhóm H2O HA COO- alginate Ngoài ra, chuyển dịch từ 1422 cm-1 số sóng thấp 1416–1414 cm-1 compozit cho thấy tồn tương tác hóa học định Ca2+ nhóm COO- alginate Như vậy, thay đổi nhẹ vị trí cường độ dải hấp thụ HA alginate compozit chứng tỏ có tương tác tinh thể HA alginate 3.2 Đặc trưng FT-IR Phổ FT–IR HA đơn pha, alginate compozit HA/alginate trình bày hình Như biết, HA có nhóm chức OH- PO43-, alginate có nhóm OH-, COO-, -C-O-C-.Trên phổ HA đơn pha (hình 2a), dải hấp thụ vị trí 1064 đến 959 cm-1 599 cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm PO43- Trên phổ alginate (hình 2f), dải hấp thụ vị trí 1633 đến 1601 cm-1 1414 cm-1 đặc trưng cho dao động không đối xứng đối xứng tương ứng nhóm COO-, cịn dải hấp thụ vị trí 1092 cm1 gán cho nhóm -C-O-C- (ete vịng) Đối với compozit (hình 2b, 2c, 2d, 2e) xuất dải đặc trưng cho HA alginate Vùng từ 3410 đến 3355 cm-1 gán cho dao động nhóm OH- cấu trúc HA, alginate compozit Dải hấp thụ 80 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 2: Phổ FT-IR (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10, (f) alginate 3.3 Đặc trưng SEM 125-140 nm, lớn so với mẫu HA-70 tượng kết tập tinh thể HA Ảnh SEM mẫu HA đơn pha, alginate, compozit HA/alginate trình bày hình Mẫu HA-30 (hình 3d): Các tinh thể HA chuyển sang dạng gần cầu phân bố lẫn lớp vỏ alginate Biên hạt compozit khơng rõ nét, chúng có xu hướng kết tập với có kích thước khoảng 30100 nm Mẫu HA đơn pha (hình 3a): Tinh thể HA tồn dạng hình que, biên hạt rõ nét, hạt đồng đều, đường kính 40 nm, dài khoảng 130-160 nm Mẫu HA-10 (hình 3e): Với hàm lượng alginate lớn, hạt HA có kích thước nhỏ nằm lẫn khối alginate Chúng bao phủ hoàn toàn bề mặt lớp vỏ alginate kết tập thành khối lớn đặc Mẫu HA-70 (hình 3b): Tinh thể HA dạng hình que Biên hạt khơng rõ nét có lớp vỏ alginate, hạt kết tập thành đám có kích thước khơng đồng Đường kính hạt khoảng 15-20 nm, dài 60-90 nm Mẫu alginate (hình 3f): Tồn dạng khối vơ định hình có nhiều nếp gấp, khơng tồn biên khối Mẫu HA-50 (hình 3c): Các hạt chủ yếu tồn dạng hình que phân bố chất alginate Các hạt có đường kính khoảng 25-30 nm, chiều dài 81 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Như vậy, có mặt alginate làm thay đổi lượng, alginate làm thay đổi hình dạng tinh thể, kích thước phân bố hạt HA compozit Alginate chất để hạt HA kết tủa phân tán đồng Tùy thuộc vào hàm kìm hãm phát triển kích thước làm giảm độ tinh thể HA Những kết ảnh SEM phù hợp với kết nhiễu xạ XRD Hình 3: Ảnh SEM (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 (f) alginate mẫu thể đường TGA, gồm giai đoạn Giai đoạn thứ từ nhiệt độ phòng đến 165oC ứng với đỉnh thu nhiệt DTA, khối lượng mẫu giảm 13,493% tượng nước ẩm Giai đoạn thứ từ 165 đến 355oC tương ứng với đỉnh tỏa nhiệt DTA, khối lượng mẫu giảm 21,198% trình cháy phân hủy nhiệt alginate Trong giai đoạn thứ 3, từ 335 đến 800oC, khối lượng mẫu giảm nhẹ từ từ (7,084%) gán cho phân hủy nhiệt tiếp 3.4 Đặc trưng nhiệt (DTA-TGA) Kết phân tích nhiệt (DTA-TGA) với tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút N2 mẫu compozit tương tự Hình giản đồ phân tích nhiệt mẫu compozit HA-50 Đường DTA có đỉnh thu nhiệt yếu 103,107oC tượng nước ẩm đỉnh tỏa nhiệt 319,645oC quy cho phân hủy nhiệt compozit Quá trình giảm khối lượng 82 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tục alginate đến cacbon gốc cacbonat có mẫu Do mẫu HA-50 đo môi trường N2 nên khối lượng mẫu giảm khoảng 42%, sản phẩm lại sau phân hủy nhiệt cacbon Hình 4: Giản đồ DTA-TGA mẫu compozit HA-50 KẾT LUẬN Đã khảo sát ảnh hưởng hàm lượng alginate đến đặc trưng compozit HA/alginate tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp Các kết khảo sát cho thấy, tinh thể HA compozit tồn dạng đơn pha, có kích thước cỡ nanomet Giữa HA alginate có tương tác hóa học nhóm chức HA nhóm chức alginate Tùy thuộc vào hàm lượng compozit, chất alginate làm thay đổi hình thái học từ dạng que sang dạng gần cầu, đồng thời làm giảm kích thước độ tinh thể HA Lời cảm ơn: Các tác giả cảm ơn đề tài KC.07.14/11-15 hỗ trợ kinh phí để thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO 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) 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) Li Wang, Yue Li, Chunzhong Li In situ processing and properties of nanostructured hydroxyapatite/alginate composite, J Nanopart Res., 11, 691-699, (2009) 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) 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) Andrew T Metters, Chien Chi Li Biodegradable Hydrogels: Tailoring Properties and Function through Chemistry and Structure, Biomaterials, Taylor & Francis Group, LLC, 110-153, (2007) Roderic S Lakes Composite Biomaterials, Biomaterials, Taylor & Francis Group, LLC, 96109, (2007) 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) Malkaj P., Pierri E., Dalas E The crystallization of hydroxyapatite in the presence of sodium alginate, J Mater Med., 16, 733-7, (2005) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... 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 Vơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng... sinh học dược học, lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu tổng hợp canxi hydroxy apatit alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)? ?? Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp khảo... HA alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam) Những nội dung nghiên cứu: · Nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit HA/Alg phương pháp kết tủa; · Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng trình tổng hợp