Đồ án công nghệ nghiên cứu phương pháp tổng hợp bột HA

Đồ án công nghệ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN i Đồ án công nghệ NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ ii Đồ án công nghệ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT .3 1.1 Khái quát calcium phosphate 1.2 Ứng dụng bột HA 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA ngồi nước 1.3.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA nước 1.4 Tính chất hyđroxyapatit 1.4.1 Tính chất vật lý 1.4.2 Tính chất hố học 1.4.3 Tính chất sinh học [16] 10 1.5 Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite 11 1.5.1 Phương pháp ướt 11 1.5.2 Phương pháp khô 16 1.6 Một số phương pháp nghiên cứu bột HA 18 1.6.1 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 18 1.6.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 19 1.6.3 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR) .21 Chương XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM .23 2.1 Tổng hợp bột HA 23 2.2 Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu 23 2.3 Hệ thống thiết bị nghiên cứu 24 2.3.1 Thiết bị tổng hợp HA 24 2.3.2 Máy ly tâm siêu tốc TZ24 .25 2.3.3 Máy sấy lạnh ALPHA 2-4 LSC .25 2.4 Các tiêu đánh giá chất lượng bột thiết bị phân tích 25 2.4.1 Thành phần pha 25 iii Đồ án công nghệ 2.4.2 Tỷ số mole Ca/P 26 2.4.3 Diện tích bề mặt riêng 27 2.5 Quy trình thực nghiệm tổng hợp bột HA .27 2.5.1 Cơ sở lý thuyết tổng hợp HA .27 2.5.2 Các phương pháp phân tích 29 2.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng tinh thể 30 2.5.4 Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ nhỏ giọt đến độ tinh khiết sản phẩm 30 2.5.5 Nghiên cứu ảnh hưởng pH kết thúc phản ứng .30 2.5.6 Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian hóa già .31 KẾT LUẬN 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 iv Đồ án công nghệ DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể Hình 1.2 Ảnh tỉnh thể HA qua hiển vi điệu tử [3] .8 Hình 1.3 Cấu trúc ô mạng sở tinh thể dạng HA .9 Hình 1.4 Cơng thức cấu tạo phân tử HA Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp kết tủa [4] .13 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun sấy .14 Hình 1.7 Quá trình tạo vỡ bọt tác dụng sóng siêu âm [1] 16 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp siêu âm hoá học 16 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý phương pháp nhiễu xạ tia X [1] 19 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý SEM [1] .20 Hình 2.1 Thiết bị tổng hợp bột HA 25 Hình 2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X hỗn hợp HA TCP 26 Hình 2.3 Sơ đồ cơng nghệ nghiên cứu tổng hợp bột HA .28 v Đồ án công nghệ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bước sóng đặc trưng nhóm chức [3] .22 Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật bột Ca(OH)2 24 Bảng 2.2 Đặc tính kỹ thuật axit H3PO4 24 vi Đồ án công nghệ DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT EDS Energy dispersive spectrometer – quang phổ tán xạ lượng FTIR Fourier Transform Infrared - Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại HA Hydroxyapatite - Ca10(PO4)6(OH)2 SEM Scanning electron microscope - Kính hiển vi điện tử quét TCP Tricanxiphotphat - Ca3(PO4)2 XRD X-ray diffractometer - nhiễu xạ Rơn-ghen vii Đồ án cơng nghệ MỞ ĐẦU • Đặt vấn đề Trong thời đại công nghệ cao phát triển, tạo điều kiện cho vật liệu y sinh nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay phận thể, cấy ghép mô, xương người, hứa hẹn cho việc chữa trị tái tạo mô quan bị bị tổn thương chấn thương, bệnh tật lão hóa Hiện nay, đà tiến đáng kể việc cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo sử dụng mô nhân tạo để điều trị, cấy ghép quan nội tạng mô xương Nhiều loại vật liệu dùng cấy ghép thay xương khác ngày trọng lĩnh vực phát triển vật liệu dùng cho xương Theo đó, phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình xương đạt đến giới hạn hoàn thiện nhờ ứng dụng loại chi tiết ghép gốm y sinh, composit thuộc họ Hydroxyapatit Đặc biệt gốm y sinh Bột hydroxyapatite (HA) loại vật liệu có hoạt tính sinh học, có tính tương thích sinh học cao với tế bào mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến tái sinh xương nhanh mà không bị thể đào thải; nguyên liệu tổng hợp nên vật liệu y sinh có tính ưu việt • Mục tiêu đề tài Nghiên cứu quy trình để tổng hợp bột HA có hàm lượng tinh thể >70% • Nội dung nghiên cứu - Tổng quan bột HA - Nghiên cứu phương pháp tổng hợp bột HA - Lựa chọn thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu tổng hợp Đồ án công nghệ - Lựa chọn nguyên, vật liệu để tổng hợp bột HA - Phương pháp xác định bột HA - Kết luận kiến nghị việc phát triển tổng hợp bột HA tương lai Đồ án công nghệ Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Khái quát calcium phosphate Calcium phosphates với đặc tính phù hợp dùng làm vật liệu sinh học thu hút nhiều ý khoa học ứng dụng làm vật liệu cho xương Calcium phosphate có tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học cao khả chữa lành xương có thành phần cấu trúc tương tự thành phần khoáng xương Mặt khác, calcium phosphate cịn có độ hấp thụ cao protein fibronectin vitronectin Vì vậy, sử dụng calcium phosphate tăng cường kết dính tế bào tạo xương Mặt khác, calcium phosphate từ từ hòa tan bên thể để giải phóng ion calcium phosphate có lợi việc hình thành xương Chúng giúp hình thành nên hợp chất có thành phần cấu trúc hóa học giống với pha khống xương có hoạt tính sinh học tốt Đặc biệt, nano calcium phosphate có hoạt tính sinh học cao hơn, hạt calcium phosphate kích thước nano dùng cấy ghép mơ với tính tương hợp sinh học cải thiện đáng kể Calcium phosphate dùng lĩnh vực y sinh biết đến [3]: - Hydroxyapatite (HA) - β-tricalcium phosphate (β-TCP) - Biphasic calcium phosphate (BCP) Riêng HA chia: Bột HA, gốm xốp HA, Composit Trong đồ án công nghệ này, bột HA trọng tìm hiểu Đồ án cơng nghệ Bảng 1.1 Bước sóng đặc trưng nhóm chức [3] Nhóm chức Bước sóng (cm ) H - O Stretch 3570 C - O Stretch 2345 -1 P - O Str (H PO ) 1649 CO Stretch 1545 - 1445 P - O Stretch 1091 P - O Stretch 962 H - O Bend 632 O - P - O Bend 576 23 22 Đồ án công nghệ Chương XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 2.1 Tổng hợp bột HA Bột HA tổng hợp trực tiếp từ Ca(OH )2 axit H3PO4 phản ứng kết tủa phương pháp đơn giản, rẻ tiền, thích hợp với sản xuất cơng nghiệp sử dụng phổ biến giới Tuy nhiên, trình dễ tạo sản phẩm HA không tỷ lệ hợp thức Ca 10-x(PO4)6(HPO4)x(OH)2-x khơng có lợi cho q trình thiêu kết gốm sau Bột x HA tỷ lệ ứng với công thức Ca 10(PO4)6(OH)2, đặc trưng tỷ số Ca/P = 1.667 Để nhận bột HA có tính chất hố lý cần thiết cho chế tạo gốm xốp sau này, đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến hàm lượng tinh thể - Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ nhỏ giọt đến độ tinh khiết sản phẩm - Nghiên cứu ảnh hưởng pH kết thúc phản ứng - Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian hóa già 2.2 Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu - Hydroxyt Canxi Ca(OH)2 tinh khiết Đặc tính kỹ thuật Ca(OH)2 trình bày bảng 2.1 - Axit photphoric H3PO4 tinh khiết Đặc tính kỹ thuật H3PO4 trình bày bảng 2.2 - Dung dịch NH4OH 5% để ổn định pH cho trình tổng hợp 23 Đồ án cơng nghệ Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật bột Ca(OH)2 H lượng Hàm lượng tạp chất, % Ca(OH)2,% CaCO3 >96 Pb 85 Hàm lượng tạp chất, % Pb 70% vật liệu y sinh có tính tương thích sinh học cao với tế bào mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến tái sinh xương nhanh mà không bị đào thải, đáp ứng nhu cầu thay phận thể, cấy ghép mô, xương người, hứa hẹn cho việc chữa trị tái tạo mô quan bị bị tổn thương chấn thương, bệnh tật lão hóa thời gian tới tương lai Việt Nam Ở Việt Nam việc tổng hợp bột HA diễn phịng thí nghiệm trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, Hà Nội, viện Năng lượng Xạ Vì điều kiện trang thiết bị kỹ thuật Việt Nam nhiều hạn chế, điều kiện kinh tế hạn hẹp, chất lượng sản phẩm có độ tinh khiết cịn chưa cao Nếu muốn sản xuất bột HA hàng loạt phải đầu tư trang thiết bị kỹ thuật đại hơn, đội ngũ cán phải có trình độ chun mơn cao Trong đồ án này, phương pháp hóa lý sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR), phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), để khảo sát chất lượng sản phẩm HA trình tách Dựa vào giản đồ XRD xác định độ tinh thể sản phẩm HA, tính tốn theo phương pháp phân giải peak • Kiến nghị Trong trình tổng hợp bột HA nên tiến hành khảo sát ảnh hưởng yếu tố sau: nhiệt độ, tỷ số Ca/P, tốc độ cấp (độ nhỏ giọt) acid, dung môi, tốc độ khuấy trộn, tốc độ kết tủa, thời gian hóa già 32 Đồ án công nghệ Tiếp tục phát triển nghiên cứu tổng hợp bột HA có hàm lượng >90% theo yêu cầu với đối tượng ứng dụng có độ tinh khiết cao • Nhận xét Hiện nay, nước ta ngày đà phát triển lĩnh vực Đặc biệt, khoa học công nghệ ngày cải tiến Trong lĩnh vực y học, công nghệ cấy ghép xương, ngày phát triển, vật liệu y sinh theo không ngừng phát triển Nhưng thời điểm tại, vật liệu sản xuất với độ tinh khiết chưa cao Hứa hẹn tương lai không xa, đạt sản xuất vật liệu y sinh với độ tinh khiết cao có chất lượng quốc tế 33 Đồ án công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO • Tài liệu tiếng việt [1] Vũ Thị Dịu (2009), “Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến bột hydroxyapatite kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit”, Luận văn thạc sĩ khoa học, Viện Hóa học - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam [2] Nguyễn Văn Hưởng (2011), “Khảo sát trình tách số đặc trưng canxi hydroxyapatite từ xương động vật”, Luận văn thạc sỹ hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên [3] Đỗ Ngọc Liên (2005), “Nghiên cứu qui trình tổng hợp bột chế thử gốm xốp hydroxyapatit”, Đề tài khoa học công nghệ cấp bộ, Viện Công nghệ Xạ hiếm- Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam [4] Trần Thanh Trước, Tạ Văn Tấn, Lê Thị Mỹ Hoa (2012), “ Nghiên cứu tổng hợp bột nano biphasic calcium phosphate phương pháp microwave”, Đồ án, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm –TP Hồ Chí Minh • Tài liệu tiếng Anh [5] Bagot D`Arc, M.; Daculsi, G (2003), “Micro macroporous biphasic ceramics and fibrin sealant as a moldable material for bone reconstruction in chronic otitis media surgery: A 15 years experience”, J Mater Sci Mater Med., 229–233 [6] Bahman Mirhadi, Behdikhani Mehdikhani, and Nayereh Askari (2011), “Synthesis of nano-sized P-tricalcium phosphate via wet precipitation”, Processing and Application of Ceramics, 193-198 [7] Guy Daculsi, Olivier Laboux, Olivier Malard, Pierre Weiss (2002), 34 Đồ án công nghệ “Current state of the art of biphasic calciumphosphate bioceramics”, Journal of Material Science, 195-200 [8] Krylova E.A., Ivanov A.A., Krylov S.E., Plashchina I.G., Nefedov P.V (2004), “Hydroxyapatite-Alginate Sructure as Living Cells Supporting System”, Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS, Russia [9] Laurence D., Chow C., Bernard J Hockey (2004), “Properties of Nanostructured Hydroxyapatite Prepared by a Spray Drying Technique”, J Res Natl Inst Stand Technol., p.543-551 [10] Murugan R., Ramakrishna S (2007), “Development of Cell-Responsive Nanophase Hydroxyapatite for Tissue Engineering”, American Journal of Biochemistry and Biotechnology, p.118-124 [11] U Vijayalakshmi anh S Rajeswari (2006), “ Preparation and Characterization of Microcrystalline Hydroxyapatite Using Sol Gel Method”, Trends Biomater Artif Organs, p.57-62 [12] Milenko Markovic, Bruce o Fowler, Ming s Tung (2004), Preparation and Comprehensive Characterization of a Calcium Hydroxy apatite Reference Materials, J Res Natl Inst Stand Technol., Vol.9, p.552- 568 [13] http://en.wikipedia.org/wiki/Hvdroxvlapatite [14] Sanchez-Pastenesa E., Reyes-Gasgab, J (2005), Determination of the Point and Space Groups for Hydroxyapatite by Computer Simulation of CBED Electron Diffraction Patterns, Revista Mexicana de Fisica, Vol.51, No.5, p.525-529 [15] Tsuda H., Arends J (1994), Orientational Micro-Raman Spectroscopy on Hydroxyapatite Single Crystals and Human Enamel Crystallites, J Dent Res., Vol.73, No 11, p 1703-1710 [16] Pekka Ylinen (2006), Applications of Coralline Hydroxyapatite with 35 Đồ án công nghệ Bioabsorbable Containment and Reinforcement as Bone Graft Substitute, Academic Dissertation, University of Helsinki [17] K satou; “Rheological Characteristics of slurry coutrolling the microstructure and the compressive strength behavior of biomeimetic hydroxy apatite”., Materials Research Soc Vol 16 No (2001) p.164-165 [18] F.K Cameron “Inoganic and Theoretical Chemistry”, p 866; 904 [19]A.Tampieri “ Toward Tissue Bio- Engineering” Mater.Chem and Physics Vol.64- p.808 [20] T.G.Nieh “Synthesis and Characterization of porous Hydroxyapatite and Hydroxyapatite coatings” Lawren Livermore Lab - USA (2000), p.4-13 [21] Neih T.G., Choi B.W., Jankowski A.F (2001), Minerals, Metal and Materials, Society Annual Meeting and Exhibition, New Orlean, L.A [22] Memorandum of Understanding Bettween The National Institute of Standarts and Technology and The Food and Drug Administration, November 10, 1993 36 ... cứu phương pháp tổng hợp bột HA - Lựa chọn thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu tổng hợp Đồ án công nghệ - Lựa chọn nguyên, vật liệu để tổng hợp bột HA - Phương pháp xác định bột HA - Kết luận... [11] Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý phương pháp siêu âm hố học 1.5.2 a) Phương pháp khơ Phương pháp phản ứng pha rắn Đây phương pháp tổng hợp HA sở thực phản ứng 16 Đồ án công nghệ pha rắn Nguyên liệu... Thiết bị tổng hợp bột HA 25 Hình 2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X hỗn hợp HA TCP 26 Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ nghiên cứu tổng hợp bột HA .28 v Đồ án công nghệ DANH MỤC BẢNG Bảng