nghiên cứu tổng hợp vật liệu biphasic calcium phosphate bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm

i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ CALCIUM PHOSPHATE 1.1.1 Tình hình nghiên cứu 4 1.1.2 Ƣu điểm của BCP 5 1.1.3 Các ứng dụng của BCP 5 1.1.4 Ứng dụng của HAp bột 6 1.1.5 Ứng dụng của HAp dạng xốp 7 1.1.6 Ứng dụng của HAp dạng composit 9 1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIPHASIC CALCIUM PHOSPHATE 1.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 10 1.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 11 1.2.3 Phƣơng pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR) 12 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HAp 1.3.1 Phƣơng pháp ƣớt ……………………………………………………… 13 1.3.2 Phƣơng pháp khô 19 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT 2.1.1 Dụng cụ 21 2.1.2 Thiết bị 21 2.1.3 Hóa chất 21 ii 2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP BCP 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 23 2.3.2 Phƣơng pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR). 23 2.3.3 Phƣơng pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 24 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.1 Kết quả phân tích XRD của HAp và β-TCP 25 3.1.2 Kết quả chụp IR của β-TCP và HAp 29 3.1.3 Kết quả chụp SEM của β-TCP và HAp tại tỉ lệ mol Ca/P= 1,57 31 KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT β–TCP: β-tricalcium phosphate BCP: Biphasic calcium phosphate HAp: Hydroxyapatite FTIR: Fourier Transform Infrared (Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại). SEM: Scanning Electron Microscope (Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ) XRD: X-ray diffraction (Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X) iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. BCP dạng bột, dạng viên và các khối đặc, xốp 6 Hình 1.2. Dạng gel của BCP 6 Hình 1.3. Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HAp dạng vi tinh thể 7 Hình 1.4. Quá trình tạo lớp men trên bề mặt răng 8 Hình 1.5. Gốm y sinh HAp tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 8 Hình 1.6. Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HAp dạng khối xốp hoặc dạng hạt 9 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X 10 Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của SEM 12 Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa 14 Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy 16 Hình 1.11. Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm 17 Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học 18 Hình 3.1 Giản đồ XRD của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,53 phụ thuộc vào pH: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 25 Hình 3.2 Giản đồ XRD của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,57 phụ thuộc vào pH: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 26 Hình 3.3 Giản đồ XRD của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,61 phụ thuộc vào pH: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 26 Hình 3.4 Phổ FTIR của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,53 tùy thuộc vào pH của dung dịch: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 29 Hình 3.5 Phổ FTIR của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,57 tùy thuộc vào pH của dung dịch: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 29 Hình 3.6 Phổ FTIR của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,61 tùy thuộc vào pH của dung dịch: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 30 Hình 3.7 Hình ảnh (SEM) của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,57 phụ thuộc vào pH của dung dịch ban đầu: (a,d) pH=7, (b, e) pH=9 và (c, f) pH=11 31 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức 13 Bảng 2: Tổng hợp các thông số và phần trăm khối lượng của β-TCP và HAp theo tỉ lệ mol Ca/P 27 1 LỜI MỞ ĐẦU Vật liệu y sinh đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thương do chấn thương, bệnh tật hoặc lão hóa. Trong những năm gần đây, con người đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo và sử dụng mô nhân tạo để điều trị, cấy ghép các cơ quan nội tạng hoặc mô xương. Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho xương, nhiều loại vật liệu dùng trong cấy ghép và thay thế xương đã phát triển đáng kể trong những thập kỉ qua, những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới quan tâm đến vật liệu biphasic calcium phosphate (BCP). Biphasic calcium phosphates là vật liệu có khả năng liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho các tế bào xương sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt vật cấy, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế BCP kích thước nano (trong khoảng 20 – 100nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ cơ thể [13].  Lý do chọn đề tài Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học được quan tâm từ lâu. Tuy nhiên, việc ứng dụng các vật liệu vô cơ trong y sinh học và dược học còn nhiều hạn chế, để góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo BCP kích thước nano ứng dụng trong y sinh học tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu biphasic calcium phosphate bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm.”  Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp biphasic calcium phosphate bằng phương pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm. Khảo sát ảnh hưởng của pH và tỉ lệ mol Ca/P đến kết quả tổng hợp biphasic calcium phosphate. 2  Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp biphasic calcium phosphate (HAp & β-TCP) từ calcium chloride và trisodium phosphate. - Khảo sát ở các môi trường pH=7, pH=9, pH=11. - Khảo sát tỉ lệ mol Ca/P= 1,53; Ca/P= 1,57; Ca/P= 1,61.  Phƣơng pháp nghiên cứu - Xác định cấu trúc bằng phương pháp XRD (phân tích nhiễu xạ tia X) [13]. - Xác định các nhóm chức bằng phương pháp phân tích FTIR (quang phổ hồng ngoại) [13]. - Chụp bề mặt mẫu bằng phương pháp chụp SEM ( kính hiển vi điện tử quét) [13].  Bố cục Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ CALCIUM PHOSPHATE Calcium phosphates với các đặc tính phù hợp dùng làm vật liệu sinh học đang thu hút nhiều sự chú ý của khoa học trong ứng dụng làm vật liệu cho xương. Calcium phosphate có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao và khả năng chữa lành xương do có thành phần và cấu trúc tương tự thành phần khoáng trong xương. Ngoài ra calcium phosphate còn có độ hấp thụ cao đối với các protein như fibronectin và vitronectin. Vì vậy, khi sử dụng calcium phosphate có thể tăng cường sự kết dính của các tế bào tạo xương. Mặt khác calcium phosphate bên trong cơ thể từ từ hòa tan để giải phóng ion calcium và phosphate có lợi trong việc hình thành xương. Sản phẩm của quá trình phân hủy calcium phosphate hình thành carbonated apatite; carbonated apatite hình thành có thành phần và cấu trúc hóa học giống với pha khoáng trong xương hơn và có hoạt tính sinh học. Ngoài ra, nano calcium phosphate có hoạt tính sinh học cao hơn, các hạt calcium phosphate ở kích thước nano được dùng trong cấy ghép mô với tính tương hợp sinh học được cải thiện đáng kể [3]. Calcium phosphate được dùng trong lĩnh vực y sinh được biết đến như: - Hydroxyapatite (HAp) [1] - β-tricalcium phosphate (β–TCP) [1] - Biphasic calcium phosphate (BCP) [1] Chúng không những khác nhau về thành phần mà còn khác nhau về độ tan, tính tương hợp sinh học, tính chất cơ lý. Biphasic calcium phosphate (BCP, hỗn hợp của HAp và β –TCP) được quan tâm nghiên cứu do BCP ảnh hưởng tốt đến quá trình tái tạo xương hơn HAp hoặc TCP. BCP có tốc độ tan phù hợp với tốc độ tái tạo của xương [13]. 4 1.1.1 Tình hình nghiên cứu  Tình hình nghiên cứu trên thế giới - Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tổ hợp giữa hai pha HA và β –TCP [3]. - Năm 1989 Daculsi.G đã nghiên cứu sự thay đổi tính chất hóa lý của BCP trong ống nghiệm [9]. - Năm 2003 Bagot.D đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp BCP trong phẫu thuật xương tai [6]. - Năm 2003 Nich.C đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp BCP cấy ghép trong xương hông [19]. - Năm 2003 Rochet.N đã nghiên cứu ảnh hưởng của BCP lên tế bào xương người [21]; - Năm 2005 Livingston AT đã nghiên cứu ảnh hưởng của BCP lên tế bào gốc của người tạo nên sự hình thành xương [16]; - Năm 2006 Ogose.A đã nghiên cứu đánh giá mô học BCP ghép trên xương người [20]. - Năm 2006 Mastrogiacomo đã nghiên cứu ảnh hưởng của BCP lên sự tạo thành xương trong ống nghiệm [17]. - Năm 2007 Byong-Taek Lee và đồng nghiệp đã tổng hợp bột BCP kích thước nano dạng hình cầu bằng phương pháp sử dụng vi sóng [8]. - Năm 2008 Sun H đã nghiên cứu tính dẫn xương của BCP trên tế bào gốc [22]. - Năm 2013 Wen-Yu Su đã nghiên cứu BCP dùng làm chất mang thuốc Gentamicin chống viêm tủy xương [26].  Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. - Năm 2005, Đỗ Ngọc Liên đã nghiên cứu quy trình tổng hợp bột và chế thử gốm xốp hydroxyapatit [3]. - Năm 2009, Vũ Thị Dịu đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hydroxyapatite kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit [1]. 5 - Năm 2011, Nguyễn Văn Hưởng đã khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật [2]. - Năm 2012, Nguyễn Minh Kha, Huỳnh Kì Phương Hạ, Phạm Thị Ngọc Trâm, khoa kĩ thuật hóa học trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh đã tổng hợp nano tinh thể hydroxyapatite bằng phương pháp sol-gel [4]. - Năm 2012, Trần Thanh Trước, Tạ Văn Tấn, Lê Thị Mỹ Hoa trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm –TPHCM đã nghiên cứu tổng hợp bột nano biphasic calcium phosphate bằng phương pháp microwave [5]. 1.1.2 Ƣu điểm của BCP Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép xương bằng gốm chứa 100% HAp. Thực tế cho thấy, sự phát triển của xương trong miếng ghép này có tốc độ phát triển chậm. Điều này tạo cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép rất tốt, nhưng thời gian điều trị kéo dài. Sau thí nghiệm của Klein một nhóm các nhà khoa học khác, đứng đầu là L.Geroa chế tạo chi tiết ghép xương chứa 100% pha β -TCP thì tốc độ phát triển xương non quá nhanh và như vậy cũng sẽ đưa đến kết quả không tốt cho yêu cầu phát triển của xương [3]. Chính vì vậy việc chế tạo loại miếng ghép tổ hợp 2 pha với 2 loại HAp và β-TCP sẽ cho ra loại vật liệu có hoạt độ và tính tương thích sinh học tốt hơn [3]. BCP là một tiềm năng tốt nhất cho ghép xương vì có thành phần rất gần với các khoáng chất sinh học của xương, phóng thích các ion Ca 2+ và PO 4 3- giúp tạo xương [11]. 1.1.3 Các ứng dụng của BCP -BCP tổng hợp có hoạt tính và khả năng thích ứng sinh học tốt nên được sử dụng rộng rãi về phương diện lâm sàng dưới dạng bột, viên, các khối đặc, xốp và các loại composite khác nhau [11]. [...]... -Trisodium phosphate (Na3PO4.12H2O) độ tinh khiết 99% của Merk, Germany - HCl - NaOH độ tinh khiết 99% của Merk, Germany 22 2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP BCP BCP được nghiên cứu tổng hợp trực tiếp từ CaCl2 và Na3PO4 theo sơ đồ: Na3PO4 CaCl2 Bể siêu âm (tần số 40kHz) t 12h Sản phẩm kết tủa Rửa Lọc Sấy 900C Nung 7500C Sản phẩm Mô tả thí nghiệm: tâ BCP được tổng hợp từ phản ứng kết tủa kết hợp sóng siêu âm của... [15] 17 1.3.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học Trong thực tế, để chế tạo HAp bột có kích thước siêu mịn”, có thể tiến hành phản ứng hoá học trong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng hay sóng siêu âm[ 11] Nguyên lý của phương pháp siêu âm dựa vào hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation) xảy ra trong môi trường lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn... của thiết bị siêu âm, có thể làm cho các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn [1] 18 Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học Đầu phát siêu âm được ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lượng cho phản ứng hoá học Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa để tạo HAp bột có kích thước nanomet [1] [24] Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học... Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HAp [5] [12] 10 1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIPHASIC CALCIUM PHOSPHATE 1.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha... HAp [5] 1.3.1 Phƣơng pháp ƣớt Đây là phương pháp chế tạo HAp ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy… Nói chung, ưu điểm của phương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HAp theo mong muốn [1] 14 1.3.1.1 Phương pháp kết tủa Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể... Stretch 962 H – O Bend 632 O – P – O Bend 576 1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HAp Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HAp ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phương pháp thành: phương pháp ướt và phương pháp khô; phương pháp vật lý và phương pháp hoá học hoặc chia theo dạng tồn tại (dạng bột,... 1.9: Dung dịch PO43- Dung dịch điều chỉnh pH Dung dịch Ca2+ Khuấy, gia nhiệt Kết tủa HAp Ly tâm, sấy Sản phẩm Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa [5] Việc tổng hợp HAp bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, có thể phân ra thành hai nhóm chính [5]: 3 a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+và PO4  dễ tan trong nước: Các muối hay được... BCP tổng hợp bằng phương pháp kết tủa được thể hiện trong hình 3.7 Các hạt đều ở kích thước nano, các hạt dạng hình cầu và được phân bố đồng nhất Kích thước hạt có liên quan đến sự tạo mầm và sự phát triển của hạt được đánh giá cao bởi ảnh hưởng của mức độ bão hòa trong pha lỏng Do đó sóng siêu âm được sử dụng để tổng hợp pha lỏng nhằm tăng hiệu ứng hóa học và hiệu ứng vật lý [13] Nano calcium phosphate, ... nhỏ hết lượng dung dịch (NH4)2HPO4 tiếp tục khuấy hỗn hợp trong khoảng 2 giờ tại nhiệt độ đã định Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và làm sạch bằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết bị lọc hút chân không Sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 75 – 800C và bảo quản tránh tiếp xúc với không khí [5] b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước:... HAp kết khối lại với nhau 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 mình Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HAp [5] 19 1.3.2 Phƣơng pháp khô 1.3.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn Đây là phương pháp tổng hợp HAp . tôi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu biphasic calcium phosphate bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm.”  Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp biphasic calcium phosphate. phương pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm. Khảo sát ảnh hưởng của pH và tỉ lệ mol Ca/P đến kết quả tổng hợp biphasic calcium phosphate. 2  Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp biphasic calcium. Wen-Yu Su đã nghiên cứu BCP dùng làm chất mang thuốc Gentamicin chống viêm tủy xương [26].  Tình hình nghiên cứu trong nƣớc. - Năm 2005, Đỗ Ngọc Liên đã nghiên cứu quy trình tổng hợp bột và chế