Luận văn thạc sĩ Công nghệ hóa học: Nghiên cứu điều chế hydroxyapatite từ vỏ sò ứng dụng làm vật liệu y sinh

Phân loại vật liệu y sinh theo sự tương tác với tế bào cơ thể sống Từ sự tiến bộ của khoa học, nhiều loại vật liệu đã được nghiên cứu và sử dụngtrong y học nhằm thay thế hoặc hỗ trợ hình

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VẬT LIỆU Y SINH

I.1.1 Khái quát về vật liệu y sinh

Vật liệu y sinh là vật liệu tổng hợp thay thế hoặc liên kết chặt chẽ với mô sống Chúng có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, giúp bổ sung hoặc thay thế các mô, cơ quan và chức năng cơ thể Do khác biệt về thành phần hóa học, cấu trúc và hoạt tính sinh học, các loại vật liệu y sinh được phân loại thành nhiều loại khác nhau.

Khi vật liệu được đưa vào cơ thể, sẽ có sự tương tác và phản ứng sinh hóa giữa vật liệu cấy ghép và cơ thể Để đảm bảo chức năng, vật liệu phải tương hợp với mô, không sinh độc và giữ được tính chất vật lý Các tương tác này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong y học.

I.1.2 Yêu cầu của vật liệu y sinh

Vật liệu y sinh cần thỏa mãn các yêu cầu về cơ lý và hoạt tính sinh học như sau [3]:

+Vật liệu phải có độ bền cơ đủ lớn, modul đàn hồi của vật liệu xấp xỉ modul đàn hồi của vật liệu được thay thế, tính chất vật liệu không thay đổi trong quá trình sử dụng, bền trong môi trường sinh hóa,kết cấu đơn giản cho quá trình thay vào và lấy ra, không tích điện và không tích nhiệt.

+Vật liệu cấy ghép không gây kích ứng có hại cho mô xương, không xảy ra phản ứng thải loại với cơ thể, không sinh khối u, kháng xói mòn, có độc tinh thấp, phải có tinh tương thích sinh học.

I.1.3 Phân loại vật liệu y sinh

I.1.3.1 Phân loại vật liệu y sinh theo sự tương tác với tế bào cơ thể sống

Từ sự tiến bộ của khoa học, nhiều loại vật liệu đã được nghiên cứu và sử dụng trong y học nhằm thay thế hoặc hỗ trợ hình thành mô xương cho các phần bị khiếm khuyết của cơ thể Dựa vào kết quả của quá trình tương tác giữa vật liệu cấy ghép và mô cấy ghép, y học đã phân loại vật liệu y sinh thành: vật liệu trơ sinh học, vật liệu hoạt tính sinh học và vật liệu hấp thụ sinh học như bảng 1.1 [1].

Bảng 1 1 Kết quả của quá trình tương tác giữa cơ thể và mô cấy ghép [1]

Loại vật liệu Kết quả tương tác Ví dụ

Trơ sinh học Hình thành lớp vỏ xơ không liên kết xung quanh mô cấy

Alumin (Al2O3), Zirconi (ZrO2), Carbon

Hình thành liên kết với mô cấy

Hydroxyapatite, thủy tinh y sinh, A-W thủy tinh

Hình thành mô mới thay thế mô cấy

Carbonate hydroxyapatite (CHA), β-Tricalcium phosphate (β-TCP), calcium carbonate

●Vật liệu trơ sinh học

Vật liệu y sinh trơ sinh học là loại vật liệu y sinh có khả năng hoạt động hóa học kém, ít ảnh hưởng đến các liên kết của mô sống, bền trong cơ thể và có khả năng chống mài mòn cao Vì thế, khi cấy ghép vào cơ thể, các phản ứng của mô lên vật liệu là hình thành lớp vỏ bọc bằng sợi không dính chặt Các mô sợi hình thành để cách ly vật ghép với chủ thể, theo thời gian sẽ dẫn đến sự bao bọc hoàn toàn vật ghép với các lớp sợi, bề dày của lớp vỏ này tùy thuộc vào các mô nơi được cấy ghép [4].

●Vật liệu hoạt tính sinh học

Vật liệu y sinh hoạt tính sinh học là vật liệu có khả năng tạo liên kế với mô.

Vật liệu này sẽ xảy ra phản ứng hóa học với cơ thể ở bề mặt của nó Sau khi cấy ghép, tại bề mặt vật liệu sẽ hình thành liên kết với mô [5] Vật liệu này đáp ứng được những thay đổi pH trong máu bằng cách giải phóng các ion Ca 2+ , Na + và K + và tạo liên kết mô ở giao diện Quá trình này sẽ hình thành một lớp carbonate apatite hoạt tính trên bề mặt vật liệu [4] Vài loại ceramic hoạt tính sinh học được sử dụng trong phẫu thuật như HA, thủy tinh sinh học, A/W thủy tinh - gốm Cơ tính của các gốm hoạt tính sinh học yếu hơn so với gốm trơ sinh học, chỉ có A/W thủy tinh - gốm là cứng hơn Do đó, nó không phải là vật liệu phù hợp để chế tạo các bộ phận chịu lực trong cơ thể như khớp nhân tạo.

●Vật liệu hấp thụ sinh học

Vật liệu hấp thụ sinh học là vật liệu mà khi cấy vào cơ thể sẽ phân hủy dần theo thời gian và được các mô sống thay thế dần Tốc độ phân hủy thay đổi tùy thuộc loại vật liệu Ưu điểm của vật liệu này là khi cấy ghép vào xương sẽ thay thế cho xương với đầy đủ các tính năng của xương nên sẽ không bị cơ thể đào thải Tuy nhiên, trong quá trình thay thế thì khả năng chịu lực của mô mới sẽ yếu hơn so với xương bình thường [4].

I.1.3.2 Phân loại vật liệu y sinh theo thành phần hóa học

●Vật liệu kim loại và hợp kim y sinh

Hiện nay, nhiều loại vật liệu kim loại và hợp kim đã được sử dụng làm vật liệu y sinh để cấy ghép trong y học Dựa vào đặc tính của mỗi loại vật liệu mà người ta có những ứng dụng phù hợp (bảng 1.2)

Bảng 1 2 Ứng dụng của các loại vật liệu y sinh kim loại và hợp kim [6 ]

Thép không rỉ Cấy ghép xương, nối ghép chỉnh hình Hợp kim Co-C-rMo Nối ghép chỉnh hình, cấy ghép xương Hợp kim Co-Ni Cấy ghép xương, nối ghép chỉnh hình

CP Ti Cấy ghép xương

Hợp kim (    ) Ti Cấy ghép xương và nối ghép chỉnh hình Hợp kim ( / near- ) Ti Cấy ghép xương

Ni-Ti Cấy ghép xương

Ta Sự gia tăng xương

Vật liệu kim loại và hợp kim được sử dụng cho các chi tiết cấy ghép chịu lực như: chân, dây cố định xương gãy, hông giả, ốc vít,… Một số ít trường hợp sử dụng kim loại tinh khiết, phần lớn các trường hợp vật liệu cấy ghép là hợp kim do những ưu điểm vượt trội về tính cơ lý, đàn hồi và khả năng chống ăn mòn của hợp kim Ba nhóm vật liệu kim loại y sinh được sử dụng nhiều là: hợp kim Co-Cr-Mo, thép không gỉ 316L, titan nguyên chất và các hợp kim của titan [6]

Kim loại có tính cơ học tốt nhưng nhạy cảm với cơ thể khi được cấy ghép, dễ bị ăn mòn điện hóa, hòa tan và gây phá hủy bề mặt Trong quá trình ăn mòn điện hóa của kim loại, vật liệu có thể giải phóng các ion, giảm hoạt tính sinh học, làm thay đổi tính chất tế bào vùng lân cận và gây nguy hiểm cho bộ phận được cấy ghép Nhằm hạn chế sự phá hủy vật liệu kim loại, trước khi cấy ghép người ta thường xử lý bề mặt của chúng bằng cách phủ một lớp gốm y sinh như Al2O3, ZrO2,… Các gốm y sinh dạng oxit này là chất cách điện, cách nhiệt, trơ trong phản ứng điện hoá nên trở thành lớp thụ động bề mặt cho vật liệu y sinh dạng kim loại [2].

Polymer là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong y sinh Polymer y sinh là các vật liệu hữu cơ trong phân tử tồn tại liên kết cộng hóa trị theo chuỗi, lập lại nhiều lần.

Polymer dẫn nhiệt và điện kém vì liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử polymer là liên kết cộng hóa trị, các electron khó dịch chuyển Dựa vào đặc tính của từng loại polymer y sinh mà người ta có những ứng dung khác nhau như bảng 1.3 [7].

Polymer phân hủy sinh học được sử dụng làm chỉ khâu phẫu thuật, dẫn truyền thuốc có kiểm soát, kỹ thuật mô, cố định xương gãy Trong vật liệu y sinh, một số loại polymer tổng hợp đã được ứng dụng trong kỹ thuật cấy mô, vì tính chất đặc biệt như cơ tính, tốc độ phân hủy sinh học của chúng có thể điều chỉnh được thông qua quá trình tổng hợp [8] Polymer là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong y sinh, chúng được ứng dụng cho các thiết bị tim mạch cũng như thay thế và tăng thêm các mô mềm Polymer cũng được sử dụng trong các hệ thống dẫn truyền thuốc, chuẩn đoán hỗ trợ, và như một loại vật liệu khung đỡ cho các ứng dụng kỹ thuật mô [8].

Bảng 1 3 Đặc tính và ứng dụng của một số loại vật liệu polymer y sinh [7]

Hợp chất Đặc tính Ứng dụng

Polyacrylic acid Bám dính tốt Bột tạo răng

Polyethylene Dẻo, chịu mài mòn tốt Ống thông tiểu Polypropylene Chịu lực căng tốt, bền hóa học

Polyurethane Bền mỏi Máy trợ tim, nối mạch máu

Poly(dimethyl siloxane) Dẻo Mô vú

Cellulose acetate Hấp thụ tốt Màng sinh học

Nylon Bền hóa học Chỉ khâu y khoa

PMMA Dẻo, bền, truyền suốt tốt Thấu kính

PHEMA Khả năng truyền suốt tốt Thấu kính mềm

PTFE Cách ẩm tốt, độ nhờn cao Ống thông tiểu, ghép mạch

PET Chịu lực căng tốt Ghép mạch, mô cấy

TỔNG QUAN VỀ HYDROXYAPATITE

Vật liệu gốm y sinh thuộc họ calcium phosphate đã sử dụng phổ biến trong y học chỉnh hình chữa những khuyết tật của xương, cấy ghép nha khoa, phẫu thuật răng hàm mặt,… vật liệu nhóm calcium phosphate gồm nhiều chất khác nhau, thành phần hóa học và tỷ lệ Ca/P được tóm tắt như bảng 1.6.

Trong họ calcium phosphate, HA vật liệu được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong kỹ thuật chỉnh hình do có cấu trúc tương tự và là thành phần khoáng vô cơ chủ yếu trong xương người HA đóng vai trò quan trọng trong quá trình khoáng hóa và tái hấp thụ của xương [1].

Bảng 1 5 Các hợp chất của họ calcium phosphate [18]

Ký hiệu Công thức hóa học Danh pháp Tỷ lệ

MCP Ca(H2PO4)2 Monocalcium phosphate hydrate 0.50

DCPA CaHPO4 Dicalcium phosphate anhydrous 1.00

DCPD CaHPO4.2H2O Dicalcium phosphate dihydrate 1.00 OCP Ca8H2(PO4)6.5H2O Octocalcium phosphate 1.33 α-TCP α-Ca3(PO4)2 α-Tricalcium phosphate 1.50 β-TCP β-Ca3(PO4)2 β-Tricalcium phosphate 1.50

TTCP Ca3(PO4)2O Tetrecalcium phosphate 2.00 OHA Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx Oxyhidroxyapatite 1.67

HA Ca10(PO4)6(OH)2 Hidroxyapatite 1.67

Hydroxyapatit, Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp HA có nhiệt độ nóng chảy 1760 0 C và nhiệt độ sôi 2850 0 C, độ tan trong nước 0,7g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60g, khối lượng riêng là 3,156g/cm 3 , độ cứng theo thang Mohs bằng 5 [18].

Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [19] Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1).

Hình 1 1 Ảnh hiển vi điện tử của các dạng tinh thể HA

(a) – Dạng hình que (b) – Dạng hình trụ (c) – Dạng hình cầu (d) – Dạng hình sợi (e) – Dạng hình vảy (f) – Dạng hình kim

Hydroxyapatite có hai dạng cấu trúc tinh thể là lục phương và đơn tà Dạng lục phương thường được hình thành trong quá trình điều chỉnh nhiệt độ từ 25 đến 100 độ C, trong khi dạng đơn tà được tạo ra khi nung dạng lục phương ở 850 độ C trong không khí và sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng Mặc dù giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này có vị trí và số lượng các vạch nhiễu xạ giống nhau, cường độ các vạch nhiễu xạ của dạng đơn tà yếu hơn khoảng 1% so với dạng lục phương.

Hình 1 2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA

Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.2, có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hoá trị.

Hai nhóm OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [20]:

Hình 1 3 Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử HA [20]

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 huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 o C đến 1200 o C tạo thành oxy-hydroxyapatit:

Ca10(PO4)6(OH)2→ Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx+ xH2O (0 ≤ x ≤ 1) (1.2)

Nhiệt độ lớn hơn 1200 0 C, HA bị phân huỷ thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP), Ca4P2O9hoặc CaO [21]:

Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9+ H2O (1.3) Ca10(PO4)6(OH)2→ 3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4)

Thành phần khoáng chủ yếu của xương tự nhiên là các tinh thể calcium phosphate Trong đó, hydroxyapatite (HA) với công thức hóa học Ca10(PO4)6(OH)2 có vai trò quan trọng nhất Các pha khoáng khác tồn tại trong xương như calcium pyrophosphate (Ca2P2O7), dicalcium phosphate (CaHPO4), tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2) và một số pha vô định hình của calcium phosphate Trong đó, HA và dicalcium phosphate tương đối ổn định về mặt hóa học ở nhiệt độ và pH của dịch sinh lý trong cơ thể người ( 37 o C và pH ≈ 7.4) [17] Khi phân tích dung dịch sinh lý(huyết tương hoặc dịch ngoại bào) lấy từ các mạch máu của mô xương, các ion Ca 2+ ,PO4 3- và CO3 2- chiếm số lượng lớn và các ion Mg 2+ , Fe 2+ , F - , Cl - chiếm số lượng ít hơn Các ion PO4 3- và Ca 2+ thúc đẩy sự hình thành của các muối, chủ yếu là hydroxyapatite vô định hình và tricalcium phosphate, được phân tán trong các pha hữu cơ Sự kết hợp giữa chất hữu cơ và chất vô cơ dẫn tới nhiều thay đổi quan trọng với tính chất cơ học của xương Tỉ lệ của hai thành phần hữu cơ và vô cơ phản ánh mối quan hệ giữa độ cứng và độ đàn hồi của xương [21, 22].

HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao HA ở dạng bột mịn, kích thước nano là dạng calcium phosphate được cơ thể hấp thụ dễ 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 hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên [1], 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 và 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 HA không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao [18].

HA có khả năng chống lại dịch tiêu hóa và axit dạ dày, cũng như được hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản nhờ kích thước nano Do đó, HA dạng nano được coi là thuốc bổ sung canxi hiệu quả Trong ứng dụng y dược, để chế tạo vật liệu HA có tính tương thích sinh học cao, cần lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp với từng mục đích cụ thể.

I.2.4 Ứng dụng của HA trong vật liệu y sinh

HA có tính tương thích sinh học tốt với cơ thể người, có khả năng tạo sự tái sinh xương nhanh, có thể tạo liên kết trực tiếp với xương mà không cần có mô cơ trung gian Do đó, trong y học HA được ứng dụng ở bốn dạng sau: bột, màng, ceramic, composite.

Dạng bột [23]:trong thành phần HA có chứa hàm lượng calcium tương đối lớn nên một trong các ứng dụng chủ yếu của HA là làm thuốc bổ sung calcium, làm chất trám vết rạn nứt trên bề mặt của xương.

Dạng màng [24]: đối với các bộ phận xương của cơ thể đòi hỏi độ bền cao như xương hông, xương đùi, xương đầu gối, răng, thường phải phẫu thuật thay thế xương thiếu hụt bằng các vật liệu có độ bền cơ, nhẹ và không có xảy ra phản ứng với cơ thể tại vị trí cấy ghép Phổ biến nhất là hợp kim Ti6A14V, đây là vật liệu trơ về sinh học Nhưng các vật ghép phải nằm cơ thể người nên vẫn có sự ăn mòn của vật liệu ghép, tạo ra các sản phẩm gây độc hại với cơ thể, làm lỏng lẻo sự liên kết giữa xương tự nhiên và phần ghép Vấn đề này được khắc phục bằng cách tạo ra lớp ceramic lên bề mặt hợp kim Sự bổ sung lớp lót HA ceramic thực sự làm cải thiện đáng kể chất lượng của vật liệu cấy ghép kim loại và hợp kim.

Dạng xốp:như đã trình bày ở phần tính chất sinh học, HA dạng xốp có các lỗ xốp bên trong liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng Vì vậy, HA dạng xốp được sử dụng rộng rãi trong y học như:

+ Chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng [25]:

Hình 1 5 HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả

+ Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [27]:

Hình 1 6 Sửa chữa khuyết tật của xương từ HA

Hình 1 4 Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng

Dạng ceramic [28]: gốm tổ hợp HA-β-TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình hoặc chỉnh sửa xương.

Dạng composite [29]: gốm xốp và màng HA có độ bền cơ học thấp Vấn đề này được giải quyết bằng cách chế tạo composite giữa HA và polymer Bột HA sẽ được phân tán vào các polymer sinh học thường được sử dụng như: chitosan, gelatin hoặc các polymer tổng hợp như poly(lactide-co-galactide) hoặc polycarpolactone.

Vật liệu dạng này sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc làm chất dẫn truyền thuốc.

I.2.5 Các phương pháp tổng hợp HA

THỰC NGHIỆM

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HA

II.1.1 Hóa chất & Dụng cụ thiết bị

- H3PO4 98% (Trung Quốc) - Amoniac 28% (Trung Quốc) - Ethanol 96% (Việt Nam) - NaHCO399,5% (Trung Quốc) - Na2SO499% (Trung Quốc) - NaCl 99,5% (Việt Nam) - KCl 99,5% (Việt Nam) - K2HPO4.3H2O 99% (Trung Quốc) - MgCl2.6H2O 98% (Trung Quốc) - CaCl295% (Trung Quốc)

- Trishydroxymethyl amoniacmethane 99% (Trung Quốc) - HCl 36% (Việt Nam)

II.1.1.2 Dụng cụ thiết bị

- Becher 1000ml - Bếp khuấy từ: Velp Scientifica (F 20520162), Europe - Rõy 63àm: Analysensien (Restch 0-42759) HAAn, Germany - Cân phân tích: AR 2140, USA

- Thiết bị rửa siêu âm: Power soni C410, Korea - Máy đo pH: EUTECH INSTRUMENTS, Singapore - Máy lọc chân không: Kif Lap Laboport, N810FT.18, Germany - Máy nghiền bi trục lệch tâm: Mulini Serie, Italia

- Máy nghiền bi trục lăn: Việt Nam - Tủ sấy: Ketone, China

*Qui trình tạo bột vỏ sò (hình 2.1) được mô tả như sau:

Để tạo bột vỏ sò dùng làm nguyên liệu tổng hợp HA, vỏ sò nguyên liệu được làm sạch qua các bước: rửa bằng nước, rửa bằng thiết bị siêu âm trong 1 giờ, rửa lại 2 lần bằng nước cất và sấy khô Sau đó, vỏ sò được giã nhỏ và nghiền bi trong dung môi C2H5OH trong 2 giờ Bột vỏ sò nghiền xong được rây qua rây có kích thước 63µm, sấy khô lại và bảo quản trong hộp nhựa kín Quy trình này được thể hiện trong sơ đồ hình 2.1.

Rửa siêu âm Rửa lại bằng nước cất

Vỏ sò sạch Sấy khô

Giã bằng cối sứ Nghiền 2h trong EtOH

Bột vỏ sò nguyên liệu

Hình 2 1 Sơ đồ tạo bột vỏ sò

*Qui trình điều chế HA (hình 2.2) được mô tả như sau:

Cân 17,3958 g bột vỏ sò cho vào 100ml nước cất, khuấy đều trong 20 phút ở nhiệt độ phòng Sau đó gia nhiệt lên 80 o C và khuấy đều Khi nhiệt độ đạt t o = 80 o C ± 2 bắt đầu nhỏ từng giọt acid phosphoric 1M vào (lượng acid cho vào cần tính theo tỉ lệ mol Ca/P đúng với tỉ lệ cần khảo sát) Khi lượng acid đã cho vào hết, tiếp tục khuấy phản ứng trong 3h với nhiệt độ phản ứng t o = 80 o C ± 2 Sau đó hạ nhiệt độ phản ứng về nhiệt độ phòng Lúc này, cho dung dịch amoniac vào để điều chỉnh pH

= 10÷12 Tiếp tục khuấy đều trong 2h Sau đó để lắng qua đêm rồi lọc chân không thu lấy kết tủa và sấy khô (100 o C) Tủa sau khi sấy khô được đem nung ở các nhiệt độ và thời gian cần khảo sát.

Hình 2 2 Qui trình điều chế HA

Làm già tủa qua đêm Phản ứng 3h ở t o = 80 o C ± 2

Lọc Kết tủa (pH = 10÷12, nhiệt độ phòng)

Sấy (100 o C) trong 6h Nung (TP0 o C ÷ 1000 o C, t= 30 phút – 4 h)

Bột HA Tỉ lệ mol

● Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Ca/P đến chất lượng HA

Bảng 2 1 Các tỉ lệ mol khảo sát

Để xác định thành phần tinh thể và cấu trúc tinh thể, sản phẩm tổng hợp được phân tích thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Dựa trên kết quả phân tích này, tỷ lệ mol thích hợp của các thành phần được xác định để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đối với đặc tính của sản phẩm.

● Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung chất lượng HA với tỷ lệ mol Ca/P = 1,67

Bảng 2 2 Các nhiệt độ khảo sát

Sản phẩm thu được tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X Trên cơ sở kết quả phân tích XRD chọn nhiệt độ thích hợp 900 o C để khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung.

●Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến chất lượng HA thành phẩm với tỷ lệ mol Ca/P = 1,67, nhiệt độ nung 900 o C

Bảng 2 3 Các khoảng thời gian khảo sát

Sản phẩm thu được tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X Trên cơ sở kết quả phân tích XRD điều kiện thích hợp khảo sát các chỉ tiêu khác.

ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA VẬT LIỆU

Kiểm tra tính tương hợp sinh học của HA là yêu cầu cần thiết để đánh giá khả năng ứng dụng vào lĩnh vực y sinh của HA thông qua khả năng hình thành các cacbonate – HA trên bề mặt vật liệu và tính bền pha của HA khi được ngâm trong dung dịch SBF.

Bột HA dạng viên được nung kết khối, ngâm trong dung dịch SBF ở pH 7,4 và 37oC Mỗi mẫu ngâm trong thời gian 7, 14, 21, 28 ngày, kiểm tra pH dung dịch ngâm mỗi ngày Sau khi ngâm, mẫu được rửa sạch, sấy khô rồi phân tích xác định thành phần pha (XRD), nhóm cacbonat (FT-IR) và chụp SEM để quan sát bề mặt vật liệu.

● Cách pha dung dịch SBF

Dung dịch sinh lý SBF được pha theo phương pháp của T Kokubo và H.Takamada [17] gồm các chất có thành phần khối lượng như bảng 2.4.

Bảng 2 4 Thành phần của dung dịch SBF mẫu

Số thứ tự Hóa chất Khối lượng mẫu (gam) Độ tinh khiết

 Cách chuẩn bị 1000 ml dung dịch SBF:

Cho vào cốc 2000 ml đã chứa 700 ml nước cất các chất theo thứ tự như bảng 2.4 và khuấy bằng máy khuấy ở nhiệt độ ở 36,5 0 C (sử dụng bể điều nhiệt để ổn định nhiệt độ trong suốt quá trình khuấy) Trong quá trình hòa tan các chất từ 1-8, chỉ cho chất sau vào khi chất cho vào trước đã tan hoàn toàn.

Sử dụng máy đo xác định pH của dung dịch trước khi hòa tan Tris (Trishydroxymthyl aminomethane ((HOCH2)3CNH2)), khi đó pHdung dịch= 2,0 ± 1,0.

Hòa tan khối lượng Tris đã cân vào dung dịch theo từng lượng nhỏ Khi lượng Tris cho vào trước đã tan hoàn toàn và pH ổn định thì tiếp tục cho lượng Tris tiếp theo vào, pH sẽ tăng dần Khi pH= 7,3 ± 0,05; nhiệt độ dung dịch được duy trì ở 36,5 ± 0,5 o C; tiếp tục thêm Tris để tăng pH ≤ 7,45.

Khi pH tăng tới 7,45 ± 0,01, dừng hòa tan Tris, nhỏ giọt HCl 1M để pH giảm xuống đến 7,42 ± 0,01 (giữ pH ≥ 7,4), rồi tiếp tục hòa tan Tris vào phải duy trì pH tăng  7,45 Sau khi hòa tan hết khối lượng Tris, điều chỉnh pH = 7,4  0,01 bằng dung dịch HCl 1M Sau đó thêm nước cất để được dung dịch có thể tích là 1000 mL,điều chỉnh và duy trì nhiệt độ dung dịch ở mức 37 o C trong 30 phút Dung dịch này được lưu trữ ở nhiệt độ dưới 20 0 C và sử dụng trong vòng 14 ngày.

KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA MẪU

II.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật nghiên cứu cấu trúc vật liệu và tinh thể được sử dụng rộng rãi Kỹ thuật này có thể áp dụng cho cả vật liệu dạng bột và dạng viên có bề mặt nhẵn.

Hình 2 3 Nguyên lý cấu tạo thiết bị của phương pháp nhiễu xạ tia X

Tia X được tạo thành khi chùm điện tử rọi vào anốt thích hợp trong ống chân không Tia X có khả năng xuyên qua mạch, chiều dài bước sóng phụ thuộc vào bản chất kim loại dùng làm đối catốt Khi chiếu chùm bức tia X qua các vật có định hướng cấu trúc, nếu gặp phải các phần tử cấu tạo ( các ion, các nguyên tử) thì tia X sẽ bị phản xạ, sự phản xạ này được xem như phản xạ tia X từ các mặt tinh thể Phần lớn tia không gặp các phần tử cấu tạo sẽ đi qua tinh thể (hay vật liệu) Hiện tượng giao thoa sẽ xảy ra khi hiệu quang lộ bằng số nguyên lần bước sóng tia tới, tức là phải thỏa mãn phương trình Vullf – Braggs [60]: nλ = 2d.sinθ (2.1)

Công thức nhiễu xạ tinh thể Bragg nêu rằng: nλ = 2d.sinθ, trong đó:- n là bậc nhiễu xạ và có giá trị nguyên (n = 1, 2, 3, )- λ là chiều dài bước sóng nhiễu xạ Rơnghen- d là khoảng cách giữa hai mặt tinh thể cạnh nhau- θ là góc chiếu tia Rơnghen

Dựa vào phổ XRD, kích thước tinh thể được xác định bằng công thức Scherrer [61]:

Trong đó: D là kích thước tinh thể (nm) β: độ rộng nửa chiều cao của peak (FWHM) (rad), với HA được xác định tại mặt nhiễu xạ (211) [61].

Trong luận văn này, mẫu sau khi được điều chế ở các điều kiện như tỷ lệ Ca/P, nhiệt độ nung, thời gian nung, được nghiền mịn bằng máy nghiền bi trục lăn trong thời gian 6 giờ, sấy khô và phân tích XRD Các phép đo nhiễu xạ tia X được thực hiện bằng thiết bị nhiễu xạ kế tia X (XRD, Brucker D8 Advance, Đức) sử dụng bức xạ kế Cu Kα Tốc độ quét 3,6 0 (2θ) trên phút, góc quét 2θ từ 10 0 – 80 0 , bước quét 0,03 0

II.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử SEM

Thiết bị hiển vi điện từ SEM( Scanning Electron Microscope) là loại thiết bị phóng đại đặc biệt giúp quan sát trực tiếp bề mặt của các đối tượng cần nghiên cứu.

Sự phóng đại được thực hiện không phải bằng hệ thống thấu kính quang học má sử dụng va chạm của các hạt electron cường độ cao với mẫu đã được xử lý rồi nhận tín hiệu để thu hình ảnh của bề mặt vật Độ phóng đại của nó rất lớn( cỡ vào khoảng vài ngàn đến vài chục ngàn lần) kích thước quan sát có thể đạt đến nm [62]. Để tiến hành đo, người ta thường tiến hành phủ một lớp vàng hay vàng- palladi rất mỏng (1.5-3nm) lên bột vật liệu đã nghiền mịn (hay bề mặt phẳng của vật liệu) rồi đặt vào buồng chân không sâu Lúc đó, thiết bị sẽ tạo ra chum electron bằng cách nung nóng cathode làm bằng Vonfram hay bằng Lantan hexabrua (LaB6).

Chùm electron này sau khi đạt được gia tốc (đạt tới năng lượng vài trăm eV đến 100KeV) sẽ hướng thẳng vào vật cần quan sát Khi những tia này tương tác với mẫu, các electron sẽ mất năng lượng do hấp thụ năng lượng và hiện tượng nhiễu xạ lặp lại nhiều lần bên trong những khoảng không có dạng hình giọt nước Kích thước của khoảng không tương tác ( tứ 100-500 ) là phụ thuộc vào điện thế gia tốc của dòng electron và mẫu thu được thông qua sự phát xạ electron và bức xạ điện từng sẽ thu nhận ảnh chụp SEM của mẫu quan sát [62].

Việc điều chỉnh độ phóng đại có thể được thực hiện bằng cách thay đổi độ rộng của chùm electron theo công thức :

M: độ phóng đại W: độ rộng của cathode ω: độ rộng của chùm electron

Hình thái và kích thước hạt của mẫu được xác định bằng phương pháp SEM trên kính hiển vi điện tử quét JEOL-JSM-74010F với các độ phân giải khác nhau.

II.3.3 Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR

Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu,dựa vào các tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử 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 ra do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay (liên quan đến sự quay của phân tử xung quanh trục liên kết) [63] 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 ( phát ra hay hấp thụ ) được tính theo công thức Bohr:

- ∆E: là biến thiên năng lượng - h: là hằng số Planck

- ν: là tần số dao động ( số dao động trong một đơn vị thời gian) Vùng bức xạ hồng ngoại (IR) là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba, vùng này chia làm 3 vùng nhỏ:

 Far-IR 14000- 4000 cm -1 (2,5 – 0,8μm) Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các phân tử [63].

Các nhóm chức, nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử đặc trưng sẽ có phổ hấp phụ hồng ngoại khác nhau (hình 2.4) [63].

Hình 2 4 Dãy phổ hấp phụ hồng ngoại Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Độ dài sóng của bức xạ hồng ngoại hấp thụ được phải trùng với tần số dao động tự nhiên của một phần tử cấu thành phân tử (gồm các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử) Điều này có nghĩa là vật chất chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi tần số của bức xạ trùng với tần số rung động đặc trưng của riêng nó.

 Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng.

Phương pháp phổ hồng ngoại là một trong những phương pháp hữu hiệu nhất để xác định các chất về định tính cũng như định lượng, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học, trong kiểm tra công nghiệp Nhưng phương pháp phổ hồng ngoại không cho biết phân tử lượng (trừ trường hợp đặc biệt), không cung cấp thông tin về các vị trí tương đối của các nhóm chức khác nhau trên một phân tử [63] Chỉ riêng phổ hồng ngoại thì đôi khi chưa thể biết đó là chất nguyên chất hay chất hỗn hợp vì có trường hợp 2 chất có phổ hồng ngoại giống nhau [63].

Trong luận văn này, các nhóm chức của mẫu bột HA được kiểm tra bằng phương pháp FT-IR trên thiết bị Brucker, D8, Advance với bước sóng từ 4000÷400 cm -1 , độ phân giải 4cm -1

II.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt TGA/DSC

Phân tích nhiệt là một nhóm các nghiên cứu các vật liệu dựa trên sự thay đổi của tính vật lý đặc trưng khi cho vật liệu chịu tác động của một dòng nhiệt theo một chương trình quy định Phương pháp phân tích nhiệt được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu Phương pháp này có thể xác định được các quá trình biến đổi lý hóa như: quá trình mất nước vật lý, mất nước cấu trúc, sự phân hủy, sự chuyển pha, sự biến đổi thù hình, sự tương tác hóa học giữa các phân tử trong hệ để tạo nên chất mới,…Các quá trình này kèm theo các hiệu ứng nhiệt Bằng cách ghi các hiệu ứng nhiệt này, chúng ta có thể dự đoán được các quá trình biến đổi xảy ra khi nung nóng vật liệu [64].

KẾT QUẢ & BÀN LUẬN

Tổng hợp HA

III.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ca/P đến sự hình thành HA

Bột vỏ sò được cho phản ứng với acid phosphoric 1M theo tỷ lệ mol Ca:P 1,65:1; 1,67:1; 1,69:1 ở nhiệt độ t = 80 o C trong 3h Sau đó, điều chỉnh nhiệt độ của hệ về nhiệt độ phòng và điều chỉnh pH = 10÷12 bằng dung dịch amoniac 25% Tiếp tục khuấy đều trong 2h và làm già tủa qua đêm rồi lọc thu lấy kết tủa, sấy khô ở 100 o C trong thời gian 6h Tủa sau khi sấy khô được đem nung ở 1000 o C trong thời gian 4h Kết quả phân tích sự ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ca/P được mô tả như hình 3.1.

Hình 3 1 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ca/P đến độ tinh khiết của HA được điều chế ở các tỷ lệ mol Ca/p = 1,65 (a); 1,67 (b) và 1,69 (c).

Hình 3.1 thể hiện kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của các mẫu HA được điều chế theo tỷ lệ mol Ca:P = 1,65 (a); 1,67 (b) và 1,69 (c) đã được nung ở 1000 o C trong thời gian 4h So sánh với phổ JCPDS 09-0432 [66] của HA kết quả cho thấy các peak đặc trưng của HA trong mẫu điều chế được xuất hiện tại các vị trí 2θ = 25,9; 31,7;

32,2; 32,9; 34,04; 49,5 và 53,1 o phù hợp với phổ chuẩn Tuy nhiên, các mẫu được tổng hợp với tỷ lệ Ca/P = 1,65 và 1,69 xuất hiện các peak đặc trưng của β-TCP vàCaO tại các vị trí 2θ = 30,5; 38,5; 38,2; 44,9 và 11,2 o Mặc khác, đường nền có tỷ lệ

Tỷ lệ Ca/P = 1,67 (b) thấp hơn so với các mẫu còn lại, chứng tỏ mẫu này có độ tinh khiết cao hơn Do đó, chọn tỷ lệ mol Ca:P = 1,67 để nghiên cứu tác động của nhiệt độ và thời gian nung đến độ tinh khiết của HA.

III.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành HA

Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình tạo thành tinh thể HA được tiến hành với tỷ lệ mol Ca/P = 1,67:1theo nhiệt độ được thể hiện như hình 3.2.

Hình 3 2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu được nung theo tỷ lệ Ca/P= 1,67 ở các nhiệt độ 100 o C (a), 500 o C (b), 700 o C (c), 800 o C (d), 900 o C (e) và 1000 o C (f) trong 4 h.

Từ kết quả phân tích XRD cho thấy tinh thể HA đã hình thành ở 100 o C Tuy nhiên, cường độ các peak thấp nên mức độ tinh thể không cao và trong mẫu còn tồn tại một lượng lớn β-TCP Khi nhiệt độ lên đến 500 o C và 700 o C, các peak chính củaHA ở các vị trí 2θ = 25,9; 31,7 tăng lên đáng kể Điều đó cho thấy mức độ hình thành tinh thể của HA tăng lên Nhưng tại các vị trí 2θ = 31,7; 32,2; 32,9 o các peak không phân tách rõ ràng cường độ thấp và trong mẫu vẫn còn nhiều β-TCP so với mẫu được xử lí ở 800 o C, 900 o C và 1000 o C Khi nhiệt độ nung tăng lên 800 o C thì các peak của HA được hình thành cao hơn so với các mẫu được nung ở nhiệt độ 500 o C và 700 o C.

Sự tồn tại riêng biệt của các đỉnh phản xạ HA ở mẫu nung 800 độ C cho thấy mức tinh thể hóa cao hơn so với các mẫu nung ở 500 và 700 độ C Tuy nhiên, mức hình thành tinh thể HA ở 800 độ C vẫn thấp hơn ở 900 và 1000 độ C Mẫu nung ở 1000 độ C có hàm lượng HA tương tự mẫu nung ở 900 độ C Cả hai mẫu này đều không có các tạp chất β-TCP Do đó, mẫu nung ở tỷ lệ Ca/P = 1,67 và nhiệt độ 900 độ C trong 4 giờ được chọn để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hình thành HA.

III.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian nung đến sự hình thành HA

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến độ tinh khiết của HA được thể hiện trên giản đồ nhiễu xạ tia X như hình 3.3.

Hình 3 3 Ảnh hưởng của thời gian đến sự hình thành tinh thể HA đối với các mẫu nung ở 900 o C trong 30 phút (a), 1h (b), 2 h (c), 3 h (d), và 4 h (e).

Từ kết quả cho thấy tất cả các mẫu HA đều là đơn pha Khi thời gian nung tăng thì cường độ các peak tăng chứng tỏ mức độ tinh thể hóa tăng nhưng thay đổi không nhiều Kết quả phân tích kích thước tinh thể theo công thức Sherrer của các mẫu trong khoảng 45 – 47 nm Do đó, từ kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ca/P, nhiệt độ nung, thời gian nung thấy rằng điều kiện thích hợp để tổng hợp HA tinh khiết là tỷ lệ mol Ca/P = 1,67, nhiệt độ nung 900 o C trong thời gian 30 phút.

Bảng 3 1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến kích thước tinh thể được tính theo mặt phẳng (211)

Thời gian Nhiệt độ Kích thước tinh thể

Phân tích hình thái phân tử HA bột

Mẫu bột HA tổng hợp ở 900 o C trong 30 phút được phân tích SEM với kết quả như hình 3.4.

Hình 3 4.Kết quả SEM của mẫu HA bột được tổng hợp ở 900 o C trong 30 phút

Bột HA tổng hợp bằng phương pháp kết tủa và nung ở 900 độ C trong 30 phút cho kích thước phân tử lớn hơn bột HA tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 tinh khiết nhưng nhỏ hơn bột HA điều chế từ vỏ sò Các phân tử bột HA phân bố riêng rẽ, không liên kết với nhau, tạo thành khối xốp, chưa hình thành gốm HA.

Hình 3 5 Kết quả SEM của mẫu HA được tổng hợp ở 900 o C trong thời gian 30 phút với nồng độ dung dịch H 3 PO 4 lần lượt là 0,1 M (a) và 1 M (b).

Từ hình 3.5 cho thấy, khi dùng dung dịch H3PO4 0,1M trong phản ứng tổng hợp HA thì phân tử của sản phẩm HA tổng hợp được có hình dạng không rõ ràng,kích thước phân tử không đồng đều.

Xác định nhóm chức của HA bằng quang phổ hồng ngoại (FTIR)

Mẫu được tổng hợp với tỷ lệ Ca:P = 1,67 được nung trong thời gian 30 phút rồi nghiền trong 6 h Kết quả phân tích phổ hồng ngoại như hình 3.6.

Hình 3 6 Giản đồ phổ hồng ngoại mẫu nung 900 o C thời gian 30 phút

Kết quả phân tích FTIR cho thấy HA được hình thành với các nhóm chứcPO4 3- và OH - đặc trưng Peak đặc trưng của nhóm OH - được thể hiện ở bước sóng3571, 3496 cm -1 [68, 69] Các peak đặc trưng của nhóm PO4 3- ở các bước sóng 472,568, 604, 634, 962, 1041, 1092 cm -1 [68, 69, 70] Ngoài ra, trong phổ còn xuất hiện peak đặc trưng của CO2 ở bước sóng 2338 và 2361cm -1 do có sự hấp thụ CO2 có trong thiết bị [70] Bên cạnh đó, sự xuất hiện của H2O trong mẫu tại bước sóng 2920 và 2851 cm -1 với cường độ thấp là do hút ẩm [71] Trong phổ còn xuất hiện các peak đặc trưng của nhóm CO 2- ở bước sóng 869, 1474 cm -1 [68, 70].

Kết quả phân tích TG của bột trước khi nung

Kết quả mẫu bột sau khi sấy ở 100 o C được phân tích TG/DSC từ nhiệt phòng đến nhiệt độ nung cực đại ở 1200 o C, tốc độ gia nhiệt 10 o C/min như hình 3.4.

Hình 3 7 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nung 900 o C trong thời gian 30 phút

Từ kết quả phân tích TGA/DSC cho thấy, ở khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến khoảng 400 o C có sự giảm khối lượng do sự mất nước tự do (nước ẩm) mất các phân tử nước hấp thụ trong tinh thể [52, 58] Tại khoảng nhiệt độ 300 o C-400 o C có sự hấp thu nhiệt và mất khối lượng do sự phân hủy phức kết tủa [52] Ở nhiệt độ khoảng 400 o C-800 o C trên giãn đồ DSC có sự hấp thu nhiệt song song đó có sự mất khối lượng do sự phân hủy aragonite giải phóng CO2 Trong khoảng nhiệt độ 800 o C – 1200 o C sự mất khối lượng mạnh trên giản đồ TG do sự thoát khí CO2 từ nhóm CO3 2- có trong thành phần HA [72] và sự dehydroxyl hóa của bột hydroxyapatite [52] theo phản ứng sau:

Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (3.2)

Đánh giá khả năng tương thích sinh học của HA dạng bột và viên nén

III.5.1 Khả năng tương thích sinh học của HA ở dạng bột

Sự thay đổi pH theo thời gian xử lý của HA bột trong dung dịch SBF được mô tả như hình 3.7 Trong thời gian đầu, pH tăng dần là do sự phân giải các ion PO4 3- nhiều hơn so với các ion Ca 2+ trong môi trường kiềm [30, 73] Sau khi giá trị pH tăng đến mức cực đại (16 ngày) thì ổn định và giảm dần Sự thay đổi pH từ ngày đầu thứ nhất đến ngày 16 là do sự tương tác tĩnh điện giữa các ion Ca 2+ và các ion PO4 3- [74, 75]. Điều này chứng tỏ giá trị pH phụ thuộc vào quá trình hòa tan và hấp thụ của HA trong dung dịch SBF.

Thời gian (Ngày) Hình 3 8 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong dung dịch SBF của bột HA theo thời gian.

Hình 3 9 Phổ hồng ngoại của HA bột ngâm trong dung dịch SBF trong các khoảng

Phổ FTIR của mẫu HA bột ngâm trong dung dịch SBF cho thấy sự xuất hiện nhóm CO2 đặc trưng, sau đó mất đi do quá trình hòa tan và hấp phụ Mẫu ngâm 7 và 14 ngày có ít khác biệt với mẫu chưa xử lý Mẫu ngâm 21 và 28 ngày xuất hiện nhóm OH- ở bước sóng 3443, 1630 cm-1 và nhóm CO32- ở bước sóng 1458, 1413 cm-1 Quá trình trao đổi ion xảy ra khi ngâm HA trong dung dịch SBF tạo ra nhóm CO32- Cường độ nhóm OH- tăng theo thời gian ngâm do sự hình thành ion OH- trong quá trình hình thành apatite, chứng tỏ sự hình thành apatite trên mẫu HA bột điều chế.

III.5.2 Khả năng tương thích sinh học của HA ở dạng viên

Viên nén HA ngâm trong dung dịch SBF có đường kính viên 13 mm, dày 1,5 mm được tạo như sau: Cân lượng bột HA khoảng 0,6 g, tạo ẩm bằng dung dịch 1%

PVA, sau đó dùng máy ép viên để ép với áp suất 300 psi Mẫu sau khi ép được nung kết khối trong 3 h ở nhiệt độ 1050 o C Viên nén HA sau khi nung kết khối được mài nhẵn hai mặt trước khi ngâm trong dung dịch SBF Sự thay đổi pH của viên HA được mô tả như hình 3.9.

Thời gian (Ngày) Hình 3 10 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong dung dịch SBF của viên HA theo thời gian.

Từ đồ thị ta thấy giá trị pH tăng dần từ ngày đầu đến ngày 13 thì có sự ổn định. Đến ngày 15 thì giá trị pH bắt đầu giảm dần Sự thay đổi pH dạng viên nén đã nung kết khối khi ngâm trong dung dịch SBF cũng diễn ra tương tự như HA dạng bột Điều này chứng tỏ đã có sự hình thành apatite trên bề mặt viên nén HA.

Hình 3 11 Phổ hồng ngoại của HA viên ngâm trong dung dịch SBF trong các khoảng thời gian 7, 14, 21 và 28 ngày.

Kết quả phân tích phổ hồng ngoại các mẫu HA dạng viên được ngâm trong dung dịch SBF trong các khoảng thời gian 7, 14, 21, 28 ngày được mô tả như hình3.10 Từ hình 3.10, phổ IR của các mẫu được ngâm trong dung dịch SBF đều có peak hấp thu mạnh tại 3446 cm -1 thể hiện qua sự co dãn nhóm OH - (stretching) trong phân tử HA [74] Trong mẫu còn có sự hiện diện của nhóm PO4 3- tại 474, 570, 602, 632,1050, 1091 cm -1 [67, 72] Ngoài ra, trong mẫu còn có sự tồn tại của CO3 2- liên kết trong vật liệu, sự hiện diện của CO3 2- có thể làm tăng hoạt tính sinh học của vật liệu[1] So với mẫu ban đầu, cường độ peak đặc trưng của PO4 3- ở vị trí 1041, 634, 604,568 cm -1 ngày càng mạnh hơn và tăng theo thời gian xử lý Điều này chứng tỏ các ionPO4 3- trong liên kết apatite đã hình thành và bám lên HA Bên cạnh đó trong có sự cho thấy khi tăng thời gian xử lý thì lượng apatite bám lên bên mặt HA ngày càng nhiều So với HA ở dạng bột thì khả năng hình thành apatite ở dạng viên được thể hiện rõ ràng hơn.

Hình 3 12 Hình ảnh sự hình thành apatite trên bề mặt của HA theo thời gian xử lý trong thời gian 7 ngày (a), 14 ngày (b), 21 ngày (c )và 28 ngày (d).

Từ kết quả chụp SEM cho thấy được mức độ hình thành tinh thể apatite trên bề mặt viên nén HA đã nung kết khối ngâm trong dung dịch SBF thay đổi rõ rệt theo thời gian Sau khi ngâm 7 ngày, tinh thể apatite đã bắt đầu hình thành và bám lên bề mặt viên nén HA Tuy nhiên, mật độ tinh thể apatite hình thành còn thấp Mẫu ngâm trong thời gian 14 ngày mật độ tinh thể apatite hình thành nhiều hơn, tạo thành từng mảng lớn bám lên bề mặt viên Đối với mẫu ngâm trong thời gian 21 ngày các tinh thể apatite hình thành có dạng hình kim, các tinh thể này chen vào khoảng trống giữa các tinh thể HA tạo thành bề mặt kín Điều này cho thấy các tinh thể apatite hình thành tăng theo thời gian xử lý Mẫu xử lý trong thời gian 28 ngày các tinh thể apatite đã hình thành với mật độ tăng theo thời gian xử lý trong dung dịch SBF Các tinh thể apatite có dạng hình cầu, giữa có những lỗ xốp, tạo thành lớp dày bao phủ hoàn toàn lên bề mặt viên HA ban đầu Từ đó cho thấy rằng, HA điều chế được ở dạng viên có độ tương thích sinh học, thích hợp để nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu y sinh.

So sánh kết quả phân tích phổ hồng ngoại của HA ở dạng bột và dạng viên nén đã được xử lý trong các khoảng thời gian như nhau, chúng tôi thấy quá trình hình thành liên kết apatite trên bề mặt HA dạng viên nén thể hiện rõ ràng hơn dạng bột Sự hình thành các nhóm đặc trưng của apatite như PO4 3-, OH - tăng theo thời gian xử lý trong dung dịch SBF Tuy nhiên, trên giản đồ phổ hồng ngoại của mẫu HA dạng viên được xử lý trong dung dịch SBF, cường độ, hình dạng các peak đặc trưng của các nhóm chức PO4 3-, OH - thay đổi rõ ràng hơn so với sự thay đổi trên phổ hồng ngoại của HA dạng bột được xử lý trong dung dịch SBF Kết quả phân tích SEM của HA dạng viên được xử lý trong dung dịch SBF cho thấy apatite hình thành phủ lên bề mặt của viên HA tăng theo thời gian rất rõ.