TỔNG HỢP CANXI CACBONAT NANO VỚI KÍCH THƯỚC TUỲ Ý VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH SINH KHẢ DỤNG TRÊN CHUỘT

Chính vì vậy, ngoài khẩu phần ăn hàng ngày, nhiều người còn bổ sung Canxi bằng cách sử dụng thực phẩm chức năng, đặc biệt là sữa. Trên thị trường, các loại sữa đều chứa một lượng Canxi nhất định, tuy nhiên, với các loại sữa khác nhau thì hàm lượng canxi cũng rất khác nhau, dao động từ 120mg đến 1860mg trong 100ml sữa; trong khi đó hầu hết các hãng sữa không có khuyến cáo lượng sử dụng trong một ngày. Đó là lí do một bộ phận người sử dụng quá lượng canxi cần thiết trong một ngày nguyên nhân chính gây nên sỏi thận. Vì thế, nhóm tập trung nghiên cứu hiệu suất hấp thu canxi vào cơ thể trên chuột theo thời gian, nồng độ và kích thước hạt canxi bổ sung trong sữa

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHUYÊN HÀ NỘI-AMSTERDAM-CẦU GIẤY

2 Chu Minh Hiếu Lớp:11 Trường THPT chuyên Hà Nội-Amsterdam

Tóm tắt

Canxi là yếu tố quan trọng không thể thiếu của cơ thể Hiện nay, nhiều người bổ sung canxi qua sữa và một số người bị mắc sỏi thận do hàm lượng canxi được bổ sung trong sữa cao hơn so với nhu cầu canxi của mỗi người Canxi bổ sung trong sữa được sử dụng ở kích thước nano vì tính sinh khả dụng

ở kích thước nano của canxi là ưu việt hơn hẳn Nhận thấy sự cần thiết của việc cung cấp cho mỗi người lượng canxi khác nhau, nhóm tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thu canxi của cơ thể, trong đó có kích thước và nồng độ hạt canxi bổ sung trong sữa Để tổng hợp canxi nano dùng trong sữa, nhóm đã sử

dụng phương pháp mới “Sol-gel đồng kết tủa” có nhiều ưu điểm, dễ chế tạo và

đặc biệt điều khiển được kích thước hạt nano tùy ý Phương pháp này sử dụng 4 chất hoá học: axit citric, canxi clorua, natri cacbonat và amoniac để tạo ra canxi cacbonat (CaCO3) nano ở nhiều kích thước trong đó chất điều khiển kích thước hạt nano chính là axit citric Đề tài sử dụng CaCO3 nano tổng hợp được

để nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ, thời gian và kích thước và hạt Canxi nano trong sữa đối với sự hấp thu Canxi của cơ thể Bước đầu, nhóm đã thực hiện 2 phần thí nghiệm: phần I, tổng hợp được Canxi nano ở 4 kích thước: 500,

200, 100, 50 nm với nồng độ axit citric lần lượt là 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 M; phần II,

sử dụng CaCO3 nano ở kích thước 50nm với 5 nồng độ khác nhau 0, 5, 10, 20,

40 mg/ml thí nghiệm trên chuột bạch rồi thu huyết tương Kết quả cho thấy nồng

độ tối ưu của canxi bổ sung là 20mg/ml Thời gian canxi được hấp thu tốt nhất nhất là 2 giờ Trong thời gian tới, nhóm sẽ xây dựng công thức liên hệ giữa kích thước hạt và nồng độ axit citric tương ứng để có thể tổng hợp CaCO3 nano với kích thước tuỳ ý, đồng thời nghiên cứu sự ảnh hưởng của kích cỡ hạt CaCO3 nano đến sự hấp thu canxi vào trong cơ thể, nhằm xây dựng được quy trình bổ sung canxi trong sữa phù hợp cho từng đối tượng khác nhau, giúp những đối tượng thiếu canxi bổ sung được lượng canxi vừa đủ với nhu cầu của

cơ thể, tránh mắc bệnh sỏi thận

I Giới thiệu chung

1 Lí do lựa chọn đề tài

Sức khoẻ của con người là vấn đề rất được quan tâm, trong đó bổ sung canxi là nhu cầu thiết yếu của mỗi người Canxi là yếu tố rất quan trọng trong cơ thể con người, là thành phần chính trong xương và răng; giúp hấp thu vitamin

B12; điều hoà sự co bóp của cơ (đặc biệt là cơ tim); trong quá trình đáp ứng miễn dịch; truyền dẫn thần kinh; tham gia vào quá trình đông máu của cơ thể

Hiện nay, trên thế giới có một thực trạng( theo thống kê của Hiệp hội Loãng xương Quốc tế (IOF)), cứ 3 người phụ nữ thì có 1 người bị loãng xương; con số này ở nam giới là 1/5 Sở dĩ tỉ lệ người bị loãng xương lớn đến như vậy là

do khẩu phần ăn hàng ngày không đáp ứng đủ nhu cầu canxi của cơ thể Theo báo cáo của Viện Dinh dưỡng Quốc gia Việt Nam bữa ăn hàng ngày cung cấp lượng canxi trung bình 482mg/ngày, trong khi đó, lượng canxi cần thiết cho mỗi người là khoảng 1000mg/ngày

Chính vì vậy, ngoài khẩu phần ăn hàng ngày, nhiều người còn bổ sung Canxi bằng cách sử dụng thực phẩm chức năng, đặc biệt là sữa Trên thị trường, các loại sữa đều chứa một lượng Canxi nhất định, tuy nhiên, với các loại sữa khác nhau thì hàm lượng canxi cũng rất khác nhau, dao động từ 120mg đến 1860mg trong 100ml sữa; trong khi đó hầu hết các hãng sữa không có khuyến cáo lượng sử dụng trong một ngày Đó là lí do một bộ phận người sử dụng quá lượng canxi cần thiết trong một ngày - nguyên nhân chính gây nên sỏi thận Vì

thế, nhóm tập trung nghiên cứu hiệu suất hấp thu canxi vào cơ thể trên chuột theo thời gian, nồng độ và kích thước hạt canxi bổ sung trong sữa.

Hơn nữa, một số nghiên cứu đã chỉ ra kích thước hạt canxi được bổ sung ảnh hưởng tới sự hấp thu canxi của cơ thể (ion Ca2+, canxi nano và canxi micro)

Trong đó tính sinh khả dụng của canxi nano là ưu việt hơn hẳn [1] Tuy nhiên, nghiên cứu chưa chỉ ra sự hấp thu khác nhau khi sử dụng sữa được bổ sung hạt canxi ở các kích thước nano khác nhau, cũng như hiệu suất hấp thu của cơ thể phụ thuộc vào kích thước hạt canxi nano Vì vậy, trong đề tài này, nhóm tập

trung nghiên cứu tổng hợp canxi nano ở các kích thước khác nhau Qua quá

trình tìm hiểu tài liệu, và nhận thấy chưa có phương pháp để tổng hợp canxi

nano với kích thước tuỳ ý, nhóm đề xuất phương pháp “Sol-gel đồng kết tủa”

khắc phục được nhược điểm nói trên, ngoài ra, còn có nhiều ưu điểm nổi trội khác

Với các lí do trên, nhóm quyết định nghiên cứu đề tài: Tổng hợp canxi cacbonat nano với kích thước tuỳ ý và nghiên cứu tính sinh khả dụng trên

2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

2.1 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài giới hạn nghiên cứu về sự bổ sung canxi qua sữa; canxi cacbonat nano được hấp thu thông qua đường uống sữa và được xác định trong máu (Cơ

chế bổ sung Canxi từ máu đến xương và răng, nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu

trong tương lai)

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Chuột nhắt có khối lượng trung bình 250g (cung cấp bởi Viện Vệ sinh dịch tễ Trung ương) với điều kiện chăm sóc, dinh dưỡng như nhau

II Mục tiêu nghiên cứu

1 Mục tiêu chung

a) Tổng hợp CaCO3 nano với kích thước tuỳ ý

b) Nghiên cứu hiệu suất hấp thu canxi vào cơ thể phụ thuộc vào thời gian, nồng độ và kích thước hạt CaCO3 nano bổ sung trong sữa

2 Mục tiêu cụ thể

a) Tiến hành tổng hợp CaCO3 theo phương pháp đồng kết tủa và Sol-gel đồng kết tủa So sánh CaCO3 được tổng hợp theo hai phương pháp để thấy được

ưu điểm của phương pháp Sol-gel đồng kết tủa

b) Khảo sát sự hấp thu canxi của chuột theo thời gian (0, 30, 60, 120, 240,

480 phút), nồng độ CaCO3 bổ sung trong sữa (0, 5, 10, 20, 40 mg/ml) và kích thước hạt CaCO3 (50, 100, 200, 500 nm)

III Tính mới

1 Sử dụng phương pháp mới “Sol-gel đồng kết tủa” để tổng hợp canxi

cacbonat nano ở nhiều kích thước khác nhau

2 Nghiên cứu tính sinh khả dụng của CaCO3 nano trên chuột thông qua mức độ hấp thu phụ thuộc vào kích thước và nồng độ hạt CaCO3 nano bổ sung trong sữa

IV Cơ sở lí thuyết

1 Cơ chế hấp thu Canxi của cơ thể: Ca 2+

1.1 Vai trò của Canxi đối với cơ thể

Canxi là khoáng chất đóng vai trò hết sức quan trọng đối với cơ thể Canxi là thành phàn chính cấu thành nên xương và hàm răng con người (99% tập trung ở xương và răng) Ngoài ra canxi còn có nhiều chức năng làm đông máu, ngăn ngừa băng huyết khi mạch máu bị tổn thương; giúp hấp thu vitamin

B12 trong ruột; hỗ trợ sự phân phát, thu nhận và dẫn truyền tín hiệu thần kinh; sản xuất một số kích thích tố như insulin Canxi trong máu còn điều hoà sự co bóp của cơ tim, giúp duy trì huyết áp và nhịp tim đập bình thường Chính vì vậy, việc cung cấp và bổ sung canxi là việc cần ưu tiên hàng đầu

1.2 Nhu cầu Canxi của cơ thể

Nhu cầu canxi đối với mỗi lứa tuổi theo Tổ chức y tế thế giới (WHO):

1.3 Cơ chế bổ sung canxi của cơ thể

30– 80% canxi ăn vào được hấp thu chủ động ở tá tràng, nhờ chất chuyên chở BBCaBP (Brush border Ca binding protein) trên bờ bàn chải của vi nhung mao ruột Khi vào nội bào Ca2+ tách khỏi BBCaBP, rồi liên kết với một protein khác là CCaBP (Cytoplasmic Ca bingding protein) để được vận chuyển đến màng tế bào phía tiếp xúc với dịch kẽ Tại đây Ca2+ được vận chuyển tích cực vào dịch kẽ rồi vào máu

2 Canxi và bệnh loãng xương

Khi nhu cầu canxi của cơ thể không được đáp ứng đủ và cơ thể luôn cần

có canxi, yếu tố vi lượng không thể thiếu, để duy trì các hoạt động sống, cơ thể

sẽ lấy canxi từ xương để bù vào lượng canxi bị thiếu hụt Đây chính là nguyên nhân gây loãng xương ở phần lớn những người sau 35 tuổi, đặc biệt là phụ nữ

Theo Hiệp hội Loãng xương Quốc tế, tỉ lệ mắc loãng xương ở nữ là 1/3, còn ở nam là 1/5.

3 Canxi và bệnh sỏi thận

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại sữa bổ sung canxi nhưng nếu bổ sung quá nhiều sẽ dẫn đến thừa canxi, sẽ gây sỏi thận Theo Tổ chức Tiết niệu Thế giới (2008) 60% những người mắc sỏi thận là do bổ sung quá nhiều canxi vào cơ thể [2]

4 Canxi hữu cơ và canxi cacbonat

Canxi bổ sung trong sữa được phân làm hai loại: canxi hữu cơ (canxi citrat) và canxi vô cơ (canxi cacbonat) Canxi citrat - Ca3(C6H5O7)2 - được hấp thu tốt hơn canxi cacbonat [3], tuy nhiên, canxi citrat lại làm tăng hấp thu nhôm qua đường tiêu hoá lên hơn 8 lần so với khi không sử dụng canxi citrat [4], có

thể gây ngộ độc nhôm và trong thời gian dài, gây ra nguy cơ suy thoái não theo kiểu bệnh Alzheimer Đây là vấn đề ít được người sử dụng chú ý đến

Trong khi đó, một số nghiên cứu đã chứng minh tính sinh khả dụng của canxi cacbonat - CaCO3 - là tương đương với canxi trong sữa [5] Vì vậy, canxi

cacbonat vẫn là một nguồn bổ sung phổ biến nhất

Như đã thảo luận, kích thước hạt canxi được bổ sung ảnh hưởng tới sự hấp thu canxi của cơ thể (ion Ca2+, canxi nano và canxi micro) Trong đó tính sinh khả dụng của canxi nano là ưu việt hơn hẳn [1] Tuy nhiên, nghiên cứu chưa chỉ ra sự hấp thu khác nhau khi sử dụng sữa được bổ sung canxi ở các kích thước nano khác nhau, cũng như hiệu suất hấp thu của cơ thể phụ thuộc vào kích thước hạt canxi nano

Với các lí do trên, nhóm quyết định tổng hợp CaCO3 nano ở nhiều kích thước khác nhau và sử dụng hạt CaCO3 tổng hợp được để bổ sung vào sữa, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và nồng độ hạt CaCO3 nano trong sữa đến

sự hấp thu của chuột

V Tổng hợp CaCO 3 nano với kích thước tuỳ ý

Canxi cacbonat - CaCO3 - đã được tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau nhưng mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm nhất định

Phương pháp nghiền cơ học là phương pháp rất phổ biến trước đây Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra CaCO3 thường có kích thước lớn hơn 1µm, lại không đồng đều về kích thước và hình dạng

Phương pháp sục CO2 (ít được sử dụng hơn) sử dụng rất nhiều năng lượng nhưng lượng sản phẩm lại rất ít (0,173g CaCO3/100ml Ca(OH)2).

Phương pháp nung canxi nitrat trong axit citric ở 600oC tạo ra lượng lớn khí NO2 rất độc hại (tổng hợp được 1000g CaCO3 cũng sẽ tạo ra 224l khí NO2 ở đktc) [6]

Phương pháp đồng kết tủa tổng hợp CaCO3 ở kích thước micromet

 Các phương pháp trên có những nhược điểm nhất định và đều không điều khiển được kích thước hạt CaCO3

Phương pháp “Sol-gel đồng kết tủa” khắc phục được những nhược điểm

nêu trên Phương pháp này có quy trình đơn giản, giúp tổng hợp được lượng lớn CaCO3 nano với kích thước và hình dạng hạt đồng đều, có độ tinh khiết cao, hơn

nữa, phương pháp “Sol-gel đồng kết tủa” cho phép tổng hợp CaCO3 nano ngay

ở nhiệt độ phòng và đặc biệt có thể điều khiển được kích thước hạt CaCO3 nano tuỳ ý.

2 Thực nghiệm

2.1 Hoá chất và thiết bị

Trong quá trình tổng hợp CaCO3, nhóm sử dụng các hoá chất: axit citric (C6H8O7), amoniac (NH3), canxi clorua (CaCl2), natri cacbonat (Na2CO3), nước cất 2 lần (H2O); và các thiết bị: cân điện tử, máy khuấy từ, máy rung siêu âm, dụng cụ micropippet, tủ sấy, máy li tâm

2.2 Quy trình tổng hợp CaCO3 theo phương pháp đồng kết tủa

Trộn 200ml dung dịch Na2CO3 0,2M với

200ml dung dịch CaCl2 0,2M, khuấy đều

bằng máy khuấy từ

CaCl 2 + Na2CO3  CaCO 3 ↓+ 2NaCl

Để dung dịch lắng sau 1 ngày

Lọc 2 lần kết tủa thu được và sấy khô ở

120 o C trong 120 phút.

2.3 Quy trình tổng hợp CaCO3 theo phương pháp Sol-gel đồng kết tủa

20ml nước cất với các khối lượng lần lượt là 0,96; 1,92; 3,84; 7,68 g Khuấy đều hỗn hợp bằng máy khuấy từ, thu được dung dịch axit citric lần lượt ở các nồng độ 0,25; 0,5; 1; 2 M Thêm 0,444g canxi clorua (CaCl 2 ) (~0,2M CaCl 2 ), khuấy đều dung dịch Lượng CaCl 2 không đổi với mỗi nồng độ của axit citric.

3CaCl2 + 2C6H8O7  Ca 3(C6H5O7)2 ↓ (keo) + 6HCl

Thêm amoniac (NH3) để trung hoà độ pH của dung dịch đến khi dung dịch có

pH=7 (dùng giấy quỳ để nhận biết).

Dùng máy rung siêu âm đánh tan kết tủa keo Ca3(C6H5O7)2 trong thời gian 15-20

phút, thu được ion Ca 2+

Thêm 20ml dung dịch natri cacbonat (Na2CO3) có ion CO32-, khuấy đều dung dịch

CO3 2- + Ca 2+  CaCO 3 ↓ (rắn)

Để lắng dung dịch sau 1 ngày

Lọc 2 lần kết tủa thu được và sấy khô ở 120 o C trong 120 phút.

3 Kết quả và thảo luận

3.1 So sánh CaCO3 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa và gel đồng kết tủa

đồng kết tủa không có axit citric; b) phương pháp “Sol-gel đồng kết tủa” trong

dung dịch axit citric 2M

Hình 1 là hình ảnh SEM của CaCO3 tổng hợp theo phương pháp đồng kết tủa của CaCl2 với Na2CO3 (Hình 1a), và phương pháp sol-gel đồng kết tủa sử

dụng CaCl2 và Na2CO3 trong dung dịch axit citric 2M, được trung hòa bằng NH3

(Hình 1b) Hình ảnh SEM cho thấy CaCO3 tổng hợp bằng phương pháp đông kết tủa có kích thước rất lớn (>5μm), trong khi phương pháp sol-gel đồng kết tủa cho CaCO3 ở kích thước nanomet Về cơ bản hai phương pháp này có qui trình gần tương tự nhau, chỉ khác là phương pháp sol-gel đồng kết tủa sử dụng axit citric Axit citric được xem là tác nhân tạo phức chelat với Ca2+,hỗ trợ quá trình tạo sol-gel ở kích thước nano, giúp định hướng tạo ra kết tủa CaCO3 ở kích thước nhỏ [7] Như vậy, axit citric đóng vai trò quan trọng, quyết định kích cỡ hạt CaCO3 tạo thành

3.2 Các đặc tính của CaCO3 nano tổng hợp theo phương pháp Sol-gel đồng kết tủa

3.2.1 Hình ảnh TEM

Hình 2: a) Hình ảnh TEM của CaCO3 nano tổng hợp theo phương pháp sol-gel

đồng kết tủa; b) biểu đồ phân bố kích cỡ của CaCO3 nano đo từ hình ảnh TEM.Hình 1.2 là ảnh TEM của CaCO3 nano tổng hợp theo phương pháp sol-gel đồng

kết tủa (Hình 2a) và biểu đồ phân bố kích thước của các hạt nano này (Hình 2b) Từ ảnh TEM cho thấy kích cỡ và hình dạng các hạt nano tương đối đồng

đều, đường kính phân bố trong khoảng 45-55nm (~77%)

Ghi chú: Hình ảnh TEM của CaCO3 nano ở các kích thước 100nm và 200nm,

nhóm bổ sung ở phụ lục (trang 16)

3.2.2 Kết quả EDS và XRD

Hình 3: a) phổ EDS và b) phổ XRD của CaCO3 nano tổng hợp theo phương pháp sol-gel đồng kết tủa

Hình 3 chỉ ra phổ EDS (Hình 3a) và phổ XRD (Hình 3b) của nano canxi

cacbonat tổng hợp được theo phương pháp sol-gel đồng kết tủa Kết quả EDS cho thấy mẫu canxi nano tổng hợp được có thành phần gồm 3 nguyên tố Ca, C

và O, tỉ lệ % nguyên tử phù hợp với công thức CaCO3 (~ 1:1:3) và không chứa các nguyên tố khác Kết quả chụp XRD cho thấy tinh thể canxi nano tồn tại ở dạng đơn pha, có độ tinh khiết cao

3.3 Tổng hợp CaCO3 nano với kích thước tuỳ ý

3.3.1 Hình ảnh SEM khi nồng độ axit citric thay đổi

Hình 4: Canxi cacbonat nano tổng hợp theo phương pháp sol-gel đồng kết tủa

với các nồng độ khác nhau của axit citric (từ 0,25M đến 2,0M)

Hình 4 là hình ảnh của CaCO3 nano tổng hợp theo phương pháp sol-gel

đồng kết tủa với các nồng độ khác nhau của axit citric (từ 0,25M đến 2,0M) Trong đó, hàng trên là các cốc đựng CaCO3 sau 24h tổng hợp được Trực quan cho thấy độ lắng của các hạt CaCO3 trong các cốc giảm dần khi nồng độ của axit citric tăng dần Trong khi CaCO3 trong cốc chứa 2M axit citric gần như không lắng thì cốc chứa 0,25M axit citric lắng hoàn toàn Điều này cho thấy kích thước của các hạt CaCO3 trong cốc chứa dung dịch axit citric 0,25M phải lớn hơn rất nhiều so với CaCO3 có trong cốc chứa dung dịch axit citric 2,0M

Hàng dưới là ảnh SEM của CaCO3 nano tổng hợp trong các dung dịch axit citric có nồng độ khác nhau (0,25M; 0,5M; 1,0M và 2,0M).Hình ảnh SEM cho thấy kích thước của các hạt CaCO3 nano giảm dần (từ 500nm đến khoảng 50nm) khi nồng độ axit citric tăng dần (từ 0,25M đến 2,0M) tương ứng Hơn nữa, khi nồng độ axit citric giảm, thì độ đồng đều của kích thước và hình dạng của các hạt CaCO3 nano tạo ra cũng giảm Hiện cơ chế của quá trình này vẫn chưa được làm rõ, các kết quả thu được đều dựa trên số liệu thực nghiệm

Như vậy, CaCO3 nano với kích thước tùy ý có thể tổng hợp được dựa trên

sự thay đổi nồng độ của axit citric trong khoảng 0,25M đến 2,0M theo phương

pháp sol-gel đồng kết tủa Đây cũng là phương pháp mới, lần đầu được đề xuất

để tổng hợp canxi cacbonat nano (dựa vào sự tìm hiểu của nhóm trên các tạp chí quốc tế như Science, Nature, ACS, RCS, Wiley hay Elsevier…)