Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò thừa thiên huế

Bên cạnh việc tìm ra các phương pháp tổng hợp để thu được vật liệu có các tính chất vật lý và hóa học phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, ngày nay các nghiên cứu có xu hướng sử dụng các ng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ THÊU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CANXI HYDROXYAPATIT

TỪ VỎ SÒ THỪA THIÊN HUẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ THÊU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CANXI HYDROXYAPATIT

TỪ VỎ SÒ THỪA THIÊN HUẾ

Chuyên ngành: Hóa Vô cơ

Mã số: 60440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đào Quốc Hương

Hà Nội - Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô: PGS.TS Đào Quốc Hương, Th.S Nguyễn Thị Hạnh đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ

em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) và Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các cô, các chú, các anh chị và các bạn công tác tại Phòng Hóa Vô cơ - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình giúp đỡ tôi để tôi có thể hoàn thành tốt công việc của mình

Luận văn này là một phần nội dung của đề tài: “Nghiên cứu sản xuất hydroxyapatit từ vỏ sò ở quy mô pilot và đề xuất các hướng ứng dụng” (mã số TTH.2014-KC.10) thuộc Chương trình nghiên cứu – thử nghiệm Khoa học và Công nghệ tỉnh Thừa Thiên huế năm 2014, do Th.S Nguyễn Thị Hạnh làm chủ nhiệm

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này

Hà Nội, tháng 12/2015

Nguyễn Thị Thêu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tính chất của hydroxyapatit 4

1.1.1 Tính chất vật lý 4

1.1.2 Tính chất hoá học 6

1.1.3 Tính chất sinh học 6

1.2 Vai trò và ứng dụng của HA 7

1.2.1 Ứng dụng của HA bột 8

1.2.2 Ứng dụng của HA dạng màng 9

1.2.3 Ứng dụng của HA dạng xốp 10

1.2.4 Ứng dụng của HA dạng composit 12

1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu HA 13

1.3.1 Trên thế giới 13

1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam 14

1.4 Các phương pháp tổng hợp HA 15

1.4.1 Phương pháp kết tủa 16

1.4.2 Phương pháp sol - gel 18

1.4.3 Phương pháp phun sấy 20

1.4.4 Phương pháp siêu âm hoá học 20

1.4.5 Phương pháp composit 21

1.4.6 Phương pháp điện hoá 23

1.4.7 Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt) 25

1.4.8 Phương pháp sử dụng vi sóng 26

1.5 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA 27

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 27

1.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 30

1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 33

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất và nguyên liệu đầu 35

2.1.1 Dụng cụ thí nghiệm 35

2.1.2 Thiết bị 35

2.1.3 Hóa chất và nguyên liệu đầu 35

2.2 Quy trình xử lý vỏ sò tạo nguyên liệu CaO 35

2.2.1 Quy trình làm sạch vỏ sò 35

2.2.2 Khảo sát điều kiện nung vỏ sò để chế tạo HA 36

2.2.3 Xác định hàm lượng cặn không tan và kim loại nặng 37

2.3 Tiến hành tổng hợp HA và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm 37

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt CaO 38

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp làm khô 39

2.3.3 Khảo sát thời gian hyđrat hóa CaO 39

2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polymanto 39

2.4 Các kĩ thuật hóa lý đánh giá đặc trưng sản phẩm HA 41

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Khảo sát điều kiện nung vỏ sò để tổng hợp HA 42

3.2 Tổng hợp HA từ vỏ sò nung bằng phương pháp kết tủa 46

3.2.1 Ảnh hưởng của kích thước hạt CaO ban đầu đến sản phẩm HA 47

3.2.2 Ảnh hưởng của phương pháp làm khô 51

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian hidrat hóa CaO 57

3.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ polymanto 60

KẾT LUẬN CHUNG 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phần trăm về khối lượng của các chất trong xương 8

Bảng 2.2: Xác định hàm lượng cặn không tan và kim loai nặng 37

Bảng 2.4: Kí hiệu mẫu HA khảo sát phương pháp làm khô 39

Bảng 2.5: Kí hiệu mẫu HA khảo sát thời gian chuyển hóa CaO 39

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian chuyển hóa CaO đến pH 59

Bảng 3.5: Đặc trưng của HA tổng hợp từ vỏ sò trong các điều kiện

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.5: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả 11

Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 11

Hình 1.7: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp

Hình 1.8: Giản đồ pha của hệ CaO – P 2 O 5 – H 2 O ở 25 o C 16

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel 19

Hình 1.12: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm 21

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học 21

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt 25

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X 28

Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị quang phổ hồng ngoại 32

Hình 1.22: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử 34

Hình 3.4: Giản đồ XRD của HA tổng hợp từ vỏ sò được nung ở 900 o C 48

Hình 3.5: Phổ FT-IR của HA được tổng hợp từ CaO kích thước 0,074

Hình 3.6: Ảnh SEM của 3 mẫu HA tổng hợp từ 3 kích cỡ hạt CaO 50

Hình 3.7: Ảnh TEM của HA được tổng hợp từ CaO kích cỡ 0,074 mm

Hình 3.8: Giản đồ XRD của HA được làm khô bằng phương pháp

Hình 3.9: Phổ FT-IR của HA được làm khô bằng phương pháp sấy

Hình 3.10: Ảnh SEM mẫu HA làm khô bằng phương pháp đông khô,

Hình 3.11: Ảnh SEM mẫu HA làm khô bằng phương pháp đông khô,

Hình 3.12: Ảnh TEM của mẫu HA làm khô bằng phương pháp sấy

Hình 3.13: Giản đồ TG của HA làm khô bằng phương pháp sấy phun

Hình 3.14: Giản đồ XRD của HA tổng hợp từ CaO với các thời gian

Hình 3.15: Ảnh SEM HA được tổng hợp từ CaO với các thời gian

Hình 3.16: Giản đồ XRD của mẫu polymanto/HA với các tỉ lệ khác

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

DTA Diffrential Themal Analysis

FTIR Fuorier Transform Infrared

HAP Hydroxyapatite có chứa polymaltose

NIST National Institute of Standards and Technology SEM Scanning Electronic Microscopy

TEM Transmission Electronic Microscopy

TGA Themal Gravimetry Analysis

MỞ ĐẦU

Trong cơ thể người, canxi và photpho là thành phần chính ở xương và răng Ngoài ra, những nguyên tố này tồn tại trong tự nhiên dưới dạng flo-apatit

Ca10(PO4)6F2, là một trong các hợp chất khoáng có tên chung là “apatit” Các apatit

là các hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự như các chất khoáng trong xương Tuỳ thuộc vào tỷ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ và độ tinh khiết của

sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau Trong các pha đó thì pha canxi

hydroxyapatit (còn được gọi là hydroxyapatit, viết tắt là HA) có khả năng phân

huỷ chậm nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển HA

có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải [16, 27] Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, có tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng nên HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người Những đặc điểm trên dẫn đến khả năng ứng dụng lớn trong y học của HA HA được ứng dụng rộng rãi để bổ sung canxi, làm vật liệu phẫu thuật, cấy ghép xương và răng [30] Vì những đặc tính quý giá đó nên HA hiện đang trở thành đối tượng nghiên cứu chính của các nhà khoa học nhằm mục đích cải thiện các tính chất sinh học, hoá học của nó

Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tổng hợp HA dạng bột mịn, siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau HA dạng bột kích cỡ nano (trong khoảng 20 - 100 nm) có khả năng hấp thu dễ dàng vào cơ thể

HA bột dạng vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã được dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương… HA bột cũng có thể được dùng bổ sung canxi trong nước giải khát Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên [1] HA dạng xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương và răng Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp bền trong các dịch sinh

lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dược chất đi kèm với nó [23, 51]

Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung

và dược phẩm nói riêng đã 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 Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA dạng bột [2, 3] và dạng xốp [20] hướng đến ứng dụng trong dược học và y sinh học Bên cạnh việc tìm ra các phương pháp tổng hợp để thu được vật liệu có các tính chất vật lý và hóa học phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, ngày nay các nghiên cứu có xu hướng sử dụng các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trường và có giá thành rẻ Các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên được sử dụng để điều chế HA như: xương động vật [33], san hô [19], và vỏ sò [41,

24, 17], vỏ trứng [40, 7] Trong số đó, vỏ sò được coi là nguồn cung cấp canxi có nguồn gốc tự nhiên, có trữ lượng lớn và chi phí xử lý thấp.Các nghiên cứu chỉ ra rằng mặc dù các loại vỏ sò có sự khác biệt về đặc điểm và nguồn gốc nhưng chúng

có thành phần hóa học rất giống nhau, chủ yếu là CaCO3

Đầm Lập An, thị trấn Lăng Cô, Thừa Thiên Huếcó trữ lượng vỏ sò rất lớn (ước đạt 1,8 triệu tấn) hiện đang được khai thác với mục đích chủ yếu là nung vôi làm vật liệu xây dựng, xử lý ao nuôi trồng thủy sản và nghiền làm thức ăn chăn nuôi (Nguyễn Văn Canh, 2003) Vỏ sò khai thác từ đầm Lập An có thành phần loài đa dạng như vỏ ốc, sò, hến, ngao, hàu với các kích cỡ khác nhau Nhằm tạo ra một sản phẩm có hàm lượng khoa học cao, vỏ sò Thừa Thiên Huế đang được nghiên cứu để chế tạo vật liệu HA bằng các phương pháp khác nhau Sau khi rửa sạch bùn đất, hàm lượng canxi trung bình trong vỏ sò đạt trên 96% khối lượng (tính theo CaCO3), hàm lượng các kim loại nặng rất ít Để tận dụng được nguồn vỏ sò lớn cũng như

hạn chế tình trạng ô nhiễm môi trường, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế

tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế” Đề tài có mục đích tổng hợp

HA từ vỏ sò và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng HA thu được Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau:

- Nghiên cứu quá trình làm sạch và chuẩn bị vỏ sò làm nguyên liệu để tổng hợp HA;

- Tổng hợp HA từ vỏ sò:

 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian chuyển hóa CaO thành Ca(OH)2;

 Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp làm khô sản phẩm;

 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt CaO ban đầu đến sản phẩm;

 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polymanto

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính chất của hydroxyapatite

Hình 1.1: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA

Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion Tương tự như thế, trong số 10 nhóm

PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này bao gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của hai mặt đáy Giống như vậy, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH– chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị

Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng

ba chiều Với cách giải thích như trên thì trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion

Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH–, từ đó ta có thể khẳng định HA có công thức phân tử là Ca10(PO4)6(OH)2

Nestor J Zaluzec (2003) đã nghiên cứu và chỉ ra 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 [36]:

Hình 1.2: Công thức cấu tạo của phân tử HA

Về mặt hình dạng thì các tinh thể HA thường có dạng hình cầu, hình lá, hình que hoặc hình kim, đôi khi HA còn có dạng hình vảy

Hình 1.3: Một số loại hình dạng của tinh thể HA

Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol - gel, phương pháp điện hoá) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH trước già hóa, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm hay môi trường phản ứng…) mà các tinh thể HA có hình dạng khác nhau

1.1.2 Tính chất hoá học

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 800oC đến 1200o

C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:

Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0  x  1) (1.2) Ngoài ra, HA có thể bị phân hủy thành các chất khác trong nhóm canxi photphat tùy theo điều kiện Ví dụ: Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO:

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)

1.2 Vai trò và ứng dụng của HA

Khi phân tích thành phần xương người, người ta thấy xương gồm có phần vô

cơ và hữu cơ Phần hữu cơ chiếm khoảng 30% trọng lượng cơ thể, được tạo bởi các collagen, các men chân răng và các thành phần tế bào xốp Collagen là một mạng lưới các màng liên kết nội và một mạng lưới các tế bào mở rộng của xương nhằm lưu giữ các khoáng chất phát triển trên bề mặt làm cho xương cứng cáp hơn, trong khi đó men chân răng chứa một vài liên kết nội với protein Ngược lại, các tế bào xốp bao gồm các tế bào vô định hình như tế bào tạo xương và cốt bào, là những chất liên quan đến việc gãy và lành xương Phần vô cơ của xương gồm có pha tinh thể và pha vô định hình, được tạo thành từ tri-canxi photphat (HA) Pha vô định hình có nhiều hơn ở thanh niên và bị chuyển hoá một phần thành pha tinh thể theo thời gian Pha khoáng trong xương được đặt trong màng collagen có dạng hình kim hoặc hình vảy có chiều dài từ 10 - 60 nm, rộng khoảng 2 - 6 nm Ngoài ra, xương chứa khoảng 20% trọng lượng là nước, có mặt hầu hết trong các mảng hữu cơ và

có dưới dạng vết trong tinh thể HA

Răng chứa phần ngoài là chân răng, nướu răng (được bao bọc bởi lợi) và đầu răng vừa khít với các hốc của hàm răng Các mô chính của răng là men răng, hàm răng và chất nám Chân răng thường được bao phủ bởi men răng, thường nằm ở mép răng và tồn tại dưới dạng mảng bám trên răng Chất nám giúp cố định răng trong hốc Giống như xương, răng được tạo bởi cả phần vô cơ và phần hữu cơ HA

và các ion như Mg2+

và CO32- là các thành phần vô cơ chính Phần trăm trọng lượng của nó trong men răng, hàm răng và chất nám tương ứng là 95; 75 và 35% Răng thường cứng hơn xương là nhờ kích thước của tinh thể HA trong răng tương đối to hơn so với trong xương Chiều dài, rộng và độ dày trung bình của nó tương ứng là 60, 100 và 35 nm Chủ yếu trong các mô này là các đám tinh thể HA dày đặc có dạng hình que hoặc hình lăng trụ Thành phần các chất trong xương (%

về khối lượng) được thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Phần trăm về khối lượng của các chất trong xương

độ già hóa dân số [31] Dự báo đến năm 2050, tỷ lệ gãy xương hông trên thế giới sẽ tăng thêm 310% ở nam giới và 240% ở nữ giới Khi đó sẽ có khoảng 6,3 triệu trường hợp gãy cổ xương đùi do loãng xương và 51% xảy ra ở các nước Châu Á, trong đó có Việt Nam [10, 11, 22]

Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HA tuỳ theo dạng tồn tại của nó

1.2.1 Ứng dụng của HA bột

Chế độ dinh dưỡng của người Việt Nam thường thiếu hụt canxi dẫn đến nhiều bệnh lý, đặc biệt là bệnh còi xương ở trẻ em và bệnh loãng xương ở người cao tuổi Do đó, việc bổ sung canxi là rất cần thiết Việc bổ sung canxi theo phương pháp truyền thống ít có hiệu quả do độ chuyển hóa canxi thấp, cơ thể khó hấp thụ nên phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường hấp thụ và chuyển

hóa canxi thành HA Hiện nay, bằng công nghệ nano, người ta đã tổng hợp được hợp chất HA có kích thước từ vài chục đến vài trăm nanomet [28] Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA được cơ thể người hấp thu rất nhanh, do vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày Vì những đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao

Đối với bột HA có kích thước hạt khoảng 150 nm trở lên, quá trình thiêu kết

để tạo gốm HA rất khó khăn Quá trình kết khối diễn ra ở nhiệt độ khá cao (1000

-1200oC) trong thời gian dài (2 - 3 giờ), làm cho gốm HA bị phân huỷ thành các hợp chất không mong muốn, có hại cho cơ thể Với kích thước nano (từ 20 - 100 nm), nhiệt độ kết khối của HA bột giảm xuống chỉ còn khoảng 800 - 1000oC trong thời gian từ ½ giờ đến 1 giờ Điều này làm cho việc chế tạo gốm y sinh học từ HA có chất lượng cao, thuận lợi và dễ dàng hơn

1.2.2 Ứng dụng của HA dạng màng

Thông thường, người ta sử dụng các vật liệu bền cơ - hoá và nhẹ để thay thế, sửa chữa những khuyết tật của xương và răng Phổ biến nhất là hợp kim Ti6Al4V, đây là vật liệu trơ sinh học và có độ bền cơ - hoá cao nhưng trong thực tế nó vẫn bị

ăn mòn khi nằm trong cơ thể người, tạo ra các chất độc hại và làm cho liên kết giữa xương và chi tiết ghép bị lỏng lẻo [9]

Lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ µm được phủ lên bề mặt vật liệu thay thế bằng các phương pháp plasma, bốc bay, điện phân… đã hạn chế những nhược điểm nêu trên Nhưng độ bám dính của lớp màng trên vật liệu nền không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [14]

Để cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) bằng phương pháp điện hoá nói chung và phương pháp điện di (Electrophoretic Deposition, EPD) Lớp màng n-HA có độ bám dính cao với vật liệu nền (> 60 MPa) và rất bền theo thời gian Công nghệ màng n-HA đã tạo ra những chi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mô tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người

Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n-HA, người ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của màng n-HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông đã tiến đến có thể ứng dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa, thay thế xương ở vị trí khác

1.2.3 Ứng dụng của HA dạng xốp

Như đã trình bày ở trên, vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ 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 Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như:

- Chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng: Các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nanomet và polymer sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [24]

Hình 1.4: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng

Giai đoạn a: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷ bởi dung dịch H2O2 + H3PO4 Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chất bẩn tồn tại trên răng

Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- trong các polime sinh học dạng bột nhão tạo thành vi tinh thể HA kích thước nano Hỗn hợp này được phủ lên bề mặt răng cũ để tạo thành lớp men răng mới

- Chế tạo mắt giả [26]:

Hình 1.5: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả

HA xốp tổng hợp từ san hô có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể Việc sử dụng loại vật liệu này đã khắc phục được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả

- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [49]:

Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau

Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (Hình 1.6) có kích thước và độ xốp khác nhau [47] Sau đó,

gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA

ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [37]

Hình 1.7: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA khối xốp hoặc dạng hạt

Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như:

- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [13];

- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [53];

- Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán insulin trong ruột [51]

Tuy nhiên, gốm HA còn có một nhược điểm là độ bền nén, độ bền uốn thấp Tồn tại này cản trở việc áp dụng gốm HA vào các chi tiết đòi hỏi chịu lực lớn

1.2.4 Ứng dụng của HA dạng composit

Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composit bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đường sacaro… [47] Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc 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 HA [40]

1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu HA

1.3.1 Trên thế giới

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo HA như: kết tủa hóa học, điện hóa, thủy nhiệt, phản ứng pha rắn, đôi khi có sự hỗ trợ của các thiết bị siêu âm, vi sóng [29,

8, 43, 44, 50]

Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất được nhiều chế phẩm từ nguyên liệu HA Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép xương bằng gốm chứa 100% HA [35] 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 Bằng những thí nghiệm khác, họ

đã cấy ghép các chi tiết gốm chứa 100% β-TCP Kết quả cho thấy, tốc độ phát triển của xương non trong miếng ghép rất nhanh, do vậy làm cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép không tốt cho quá trình phát triển của xương

Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tổ hợp giữa hai pha HA và β -TCP Trong thực tế, gốm HA tốt bao gồm khoảng 93-94% HA và 6-7% TCP TCP có hai dạng thù hình là α và β-TCP, thành phần α-TCP có tác dụng làm tăng tốc độ tái sinh xương, nó như là nguồn khoáng cung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xương mới Điều này có nghĩa rằng phần β-TCP đóng vai trò như là nguồn cung cấp khoáng cho xương non phát triển vào chỗ khuyết xương Do đó, gốm tổ hợp HA - β-TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa xương

Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm

Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đã được lưu hành trên thị trường Trong số đó, có thể kể đến Ossopan của Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của New Zealand [32]

Như trong phần ứng dụng đã đề cập, HA dạng màng đã được các nhà khoa học Nhật Bản chế tạo thành vật liệu chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng

1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam

Trong nước, các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh học nói chung và HA nói riêng còn nhiều hạn chế

Năm 2005, lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và đã bước đầu thử nghiệm thành công trên động vật [5] Công nghệ này dựa trên phương pháp nhúng tẩm khung xốp hữu cơ xenlulô vào dung dịch huyền phù HA, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt độ cao Khoa Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp bột và màng gốm HA [4]

Từ năm 2005 đến nay, Viện Hóahọc, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột [2, 3], và HA xốp [21] Trong đó, HA xốp được chế tạo bằng phương pháp nén ép - thiêu kết HA bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đường sacaro và phương pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2 Việc chế tạo gốm HA từ khung xốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt ở áp suất cao cũng đã được thực hiện

Năm 2008, Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ đã nghiên cứu

đề tài “Nghiên cứu chế tạo gốm sinh học Calcium phosphate: Hydroxyapatite

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HA) và Tricalicium phosphate Ca 3 (PO 4 ) 2 (TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con người”

Từ năm 2008 đến 2011, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo và triển khai sản xuất bột canxi hydroxyapatite kích thước nano dùng làm thực phẩm chức năng và nguyên liệu bào chế thuốc chống loãng xương” thuộc Chương trình Khoa học & Công nghệ trọng

điểm Quốc gia phát triển Công nghiệp Hóa dược đến năm 2020 - Bộ Công Thương

Nhóm tác giả đã tiến hành các thí nghiệm điều chế bột HA bằng phương pháp kết tủa từ hai hệ chất phản ứng là [Ca(NO3)2 + (NH4)2HPO4] và [Ca(OH)2 + H3PO4] Các yếu tố ảnh hưởng (nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, nồng độ chất phản ứng, môi trường khí, dung môi phản ứng, chế độ lọc rửa, chế độ làm khô,…) đến chất lượng sản phẩm (cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, trạng thái tập hợp, thành phần pha…) đã được nghiên cứu tỉ mỉ Đề tài đã xác định được các điều kiện phản ứng thích hợp để tổng hợp bột HA đơn pha - [Ca10(PO4)6(OH)2] kích thước nano (90% hạt có kích thước < 100 nm) [1]

1.4 Các phương pháp tổng hợp HA

Để tạo ra HA có những tính chất ưu việt đáp ứng yêu cầu từng mục đích sử dụng cụ thể, rất nhiều phương phápkhác nhau đã được phát triển như kết tủa hóa học, điện hóa, thủy nhiệt, phản ứng pha rắn, đôi khi có sự hỗ trợ của các thiết bị siêu âm, vi sóng, [29, 8, 43, 44, 50] Có thể phân thành 2 loại là phương pháp ướt

và phương pháp khô,… Trong đó, phương pháp ướt là phương pháp tạo ra pha rắn

HA từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa, sol-gel hay phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hòa, phương pháp phun sấy, phương pháp sử dụng vi sóng,… thường được dùng để tổng hợp HA dạng bột với kích thước khác nhau Ưu điểm của phương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HA theo mong muốn

Trong hệ CaO – P2O5 – H2O, tồn tại các hợp chất canxi photphat khác nhau tuỳ thuộc vào tỷ lệ của các chất ban đầu và điều kiện áp suất, nhiệt độ, độ pH… Áp dụng các quy tắc pha vào giản đồ pha CaO – P2O5 – H2O, năm 1996, T S B Narasaraju và D E Phebe [34] đã tiến hành nghiên cứu sự tạo thành của các pha khác nhau có trong hệ là: anhyđric mono canxi photphat - Ca(H2HO4)2, mono canxi photphat monohyđrat - Ca(H2PO4)2.H2O Trên Hình 1.8 có thể nhận thấy, các pha lỏng tồn tại ở vùng trống, các pha rắn nằm ở vùng elip còn lại Anhyđric mono canxi photphat - Ca(H2PO4)2 và các mono hyđrat của nó tồn tại dưới dạng tinh thể trong vùng axit, tức là vùng có tỷ lệ P2O5 cao Anhyđric đicanxi photphat - CaHPO4

tồn tại ở vùng axit, còn đicanxi photphat đihyđrat – CaHPO4.2H2O luôn tồn tại trong môi trường phản ứng có pH khác nhau

Hình 1.8: Giản đồ pha của hệ CaO – P 2 O 5 – H 2 O ở 25 o C

Trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67 tương ứng với vùng chứa tricanxi photphat Ca3(PO4)2 đến vùng chứa tetracanxi photphat Ca3(PO4)2.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca9(HPO4)(PO4)5OH (Calcium Deficient HA, CDHA) Ở vùng kiềm ứng với tỷ lệ Ca/P cao hơn (lớn hơn 1,67), chỉ tồn tại duy nhất một pha rắn HA, hợp chất hydroxyapatit tồn tại ở pha rắn này có thành phần hoá học theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca10(PO4)6(OH)2 (Ca/P = 1,67, Stoichiometric Hydroxyapatite – SHA)

1.4.1 Phương pháp kết tủa

Việc tổng hợp HA 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:

a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca 2+ và PO 4 3- dễ tan trong nước:

Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4,… [23] Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [15]:

10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH  Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.5) Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67, pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2 M và 0,1 M Sau đó, nhỏ từ từ (tốc độ 2ml/phút) dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên máy khuấy từ (tốc

độ 300 - 400 vòng/phút) Bổ sung dung dịch NH4OH để đảm bảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH 10 - 12

Sau khi 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 - 80oC và bảo quản tránh tiếp xúc với không khí

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua Hình 1.9:

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa

b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca 2+ ít tan hoặc không tan trong nước:

Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trường kiềm

Dung dịch

PO 4 3-

Dung dịch điều chỉnh pH

Ví dụ:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng Độ pH 9 -

10 được điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2 H3PO4 là một axit có

độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn [12]:

1.4.2 Phương pháp sol -gel [6, 19, 48]

Theo lý thuyết về phương pháp sol - gel, hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là pha phân tán, môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thước hạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol)

Gel là một trạng thái lỏng hoá rắn, được tạo thành từ các hệ sol hoặc các dung dịch cao phân tử Gel có cấu trúc mạng không gian chứa đựng trong nó phần còn lại của chất lỏng sau khi hình thành mạng Quá trình tạo gel được mô tả như sau: Hệ sol (hoặc dung dịch cao phân tử)  gel, nghĩa là các hệ sol (hoặc dung dịch cao phân tử) có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều kiện Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel là: kích thước, hình dạng của hạt keo và chất cao phân

tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, cường

độ và thời gian khuấy,…

Có thể chuyển sol thành gel bằng cách tách dung môi Khi dung môi bị tách

ra, các hạt keo hoặc chất cao phân tử lại gần nhau hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng nối chéo với nhau Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh và toàn bộ khối dung dịch sẽ chuyển thành gel Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để tạo gel Cường độ và thời gian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số

va chạm giữa các hạt keo và tạo điều kiện cho chúng nối chéo với nhau Trong thực

tế, thường kết hợp cả hai cách trên để chuyển sol thành gel

Ưu điểm của phương pháp sol - gel là tạo được độ đồng nhất cao ở mức độ phân tử, từ đó có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng [37], sợi và dạng hạt

có chất lượng tốt [48]

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol - gel được thể hiện qua hình sau:

Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol - gel bằng cách: Hoà tan các hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O),

CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất Khuấy và gia nhiệt dung dịch này đến nhiệt độ 60 – 70oC, sau khoảng 3 - 4 giờ, gel có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 120oC trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 900oC khoảng 1 giờ HA bột nhận được có kích thước trung bình khoảng 20 nm, độ tinh thể khoảng 97% [19]

Hình 1.10:Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol - gel

AROGEL

XEROGEL

SẢN PHẨM

1.4.3 Phương pháp phun sấy

Hình 1.11 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy Dung dịch chứa các ion Ca2+ và PO43- (tỷ lệ Ca/P 1,67) được phun vào thiết bị cùng với khí nén

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy

Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dòng khí khô sao cho phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn, bột HA được sấy khô khi rơi đến đáy của cột thuỷ tinh gia nhiệt Sản phẩm HA dạng bột được lấy ra định kỳ qua bộ phận lắng tĩnh điện Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạng liên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [27]

1.4.4 Phương pháp siêu âm hoá học

Trong thực tế, để chế tạo HA 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 [46] hay sóng siêu âm [12] 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 nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng Hiện tượng tạo - vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng Khi bọt phát triển tới kích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ

vỡ vào trong (Hình 1.12) Hiện tượng này sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó gọi là sự toả nhiệt điểm (hot - spot) Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt Điểm toả nhiệt

có nhiệt độ và áp suất cao, thời gian sống của nó rất ngắn Quá trình tạo và vỡ bọt

đóng vai trò nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần

Hình 1.12: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm

Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng tốc

độ tạo mầm tinh thể Quá trình tạo - vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng

- rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao Tuỳ thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm, có thể làm cho các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn

Hình 1.13 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 HA bột

kết hợp của hạt HA với polyme đưa ra một phương thức đơn giản và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu Có thể sử dụng các polyme như axit polylactic, polystyren, polyethylen, collagen, chitosan, xenlulo,… trong đó các polyme sinh học được đặc biệt quan tâm trong lĩnh vực y sinh vì chúng có tính tương thích và phân huỷ sinh học cao

Để chế tạo vật liệu composit chứa HA, cation Ca2+ được phân tán đều trong mạng lưới polyme, sau đó các anion PO43- và OH-

được đưa vào dưới dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể Cũng có thể thực hiện phản ứng tạo ra các tinh thể nano HA trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme nhằm ngăn không cho các tinh thể HA 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 HA Ví dụ, có thể tóm tắt quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp composit với chitosan (CS) theo sơ đồ sau [16]:

Hình 1.14: Sơ đồ tổng hợp composit HA - CS

Thêm từ từ NaOH 1,25 M, khống chế ở pH 11

Kết tủa HA

Sản phẩm

Dung dịch CaCl 2 1 M

Ly tâm, sấy khô

Dung dịch CS

Bình phản ứng

Dung dịch NaH 2 PO 4

Tỷ lệ mol Ca/P 1,67

Theo [16], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng CS

sẽ tốt hơn, do đó kích thước của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn, đồng thời độ kết tinh của HA cũng tăng lên

1.4.6 Phương pháp điện hoá

Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chỉnh hình thường sử dụng các kim loại trơ sinh học như titan, thép không gỉ hay các hợp kim để thay thế hay nối ghép các bộ phận của xương Mặc dù các kim loại này có độ bền cao nhưng không có khả năng tương thích sinh học, bị ăn mòn theo thời gian nên các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại đó Các bệnh nhân sẽ cảm thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ thể Để tăng độ cứng, độ bền

cơ - hoá và tính tương thích sinh học của chi tiết cấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại

Bằng các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang… đều tạo ra một lớp màng có chiều dày cỡ µm Độ bám dính của lớp màng này vào vật liệu nền không cao, thường dao động từ 15 – 30 MPa, trong khi đó yêu cầu tối thiểu phải đạt khoảng 50 MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hoá sớm của vật liệu ghép

Để khắc phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) trên các vật liệu nền khác nhau bằng:

- Phương pháp kết tủa catot:

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này được nhúng vào bể điện phân với chất điện giải là dung dịch bão hoà các ion Ca2+ và PO43- ở pH 6 Quá trình catot hoá diễn ra ở thế phân cực tại catot so với calomen bão hoà là -2 V, mật độ dòng catot đạt 10 mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì ở 60oC Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100 nm trong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hoá [17, 42]

- Phương pháp anot hoá:

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực anot Catot được làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim Hệ điện cực được đưa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+ và

PO43- theo tỷ lệ Ca/P 1,67 Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 - 350 V, trên anot sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt Tại nơi này, nhiệt độ có thể lên đến 103 - 104 K làm cho kim loại bị oxi hoá, các oxit tạo thành

bị nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 - 2 μm có độ xốp cao Lớp oxit này có điện trở lớn khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng phóng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn Thời gian anot hoá diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao Tại các mao quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO43- Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+

và PO43- đến bề mặt lớp oxit [51]

- Phương pháp điện di (EPD):

Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán trong môi trường phân tán dưới tác dụng của điện trường ngoài Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, môi trường phân tán có thể là nước hoặc môi trường mô phỏng dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn vật liệu nền) tạo ra một lớp màng mỏng n-HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) trên bề mặt chi tiết với độ bám dính cao [17]

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di

Phương pháp điện di tạo được lớp màng n-HA có độ bám dính tốt, lớn hơn 60 MPa, dòng tự ăn mòn chạy qua màng n-HA nhỏ hơn 300 lần so với dòng tự ăn mòn của màng µ-HA (màng HA có độ dày cỡ µm)

1.4.7 Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt)

Phương pháp này được dùng chủ yếu để chế tạo HA xốp và gốm xốp Nhìn chung, sản phẩm HA thu được vẫn giữ nguyên hình thái và cấu trúc xốp giống như khung xương tự nhiên của động vật thân mềm ban đầu (san hô, mai mực, vỏ trai, vỏ ốc,…) Với cấu trúc xốp sinh học như vậy, vật liệu này có khả năng tương thích sinh học với cơ thể con người tốt hơn so với gốm xốp HA tổng hợp bằng những phương pháp khác [39]

Hình 1.16 là sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt

Khung xương của các động vật thân mềm (san hô, mai mực, vỏ sò,…) có thành phần chủ yếu (hơn 98%) là CaCO3 dạng aragonit Phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra giữa CaCO3 với dung dịch (NH4)2HPO4 trong thiết bị kín autoclave, có gia nhiệt

Do mai mực có độ xốp rất cao, diện tích bề mặt lớn nên để phản ứng dị thể xảy ra chỉ cần duy trì trong khoảng nhiệt độ 150 - 250oC ở áp suất 4 - 15 atm, thời gian 24

- 30 giờ [52] Khung xốp của san hô được cấu tạo bởi các tinh thể aragonit lớn, sắp

xếp đặc khít với nhau, do vậy phản ứng thuỷ nhiệt tạo HA chỉ diễn ra ở nhiệt độ khoảng 200 - 300oC, áp suất rất cao, lên tới 1000 atm [20] Phản ứng thuỷ nhiệt diễn

ra theo phương trình:

10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4 + 2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3 (1.10)

Có thể chế tạo HA xốp từ khung xương tự nhiên bằng phản ứng thuỷ nhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO Trước hết, chuyển hoá khung xương CaCO3

thành CaO mà vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu Sau đó, phản ứng thuỷ nhiệt theo phương trình (1.11) được tiến hành trong hệ thiết bị như Hình 1.16, ở nhiệt độ khoảng 200oC, áp suất 10 - 15 atm, thời gian 24 - 48 giờ:

10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH (1.11) Quá trình thuỷ phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trong bom thuỷ nhiệt được bọc lót bằng platin hoặc teflon ở nhiệt độ 250 - 300oC, trong thời gian 5 - 10 ngày Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện cho các tinh thể HA hình thành và phát triển Phản ứng xảy ra như sau [4]:

10CaHPO4 + 2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4- (1.12) 14CaHPO4 + 2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca2+ + 8H2PO4- (1.13)

Ở điều kiện trên, pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu được là đơn pha, nhưng thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện

1.4.8 Phương pháp sử dụng vi sóng [41]

Để khảo sát ảnh hưởng của vi sóng, phản ứng giữa dung dịch các chất đầu và sau đó sấy khô sản phẩm được thực hiện trong lò vi sóng Phương pháp này được sử dụng để tổng hợp HA có kích thước nanomet vì vi sóng cung cấp nhiệt lượng nhanh chóng bằng cách truyền năng lượng ở cấp độ phân tử Các sản phẩm tạo thành có kích thước hạt đồng đều và độ tinh khiết cao

Canxi oxit (CaO) hòa tan trong nước cất đã được sử dụng để chuẩn bị dung dịch canxi hydroxit (Ca(OH)2) sau đó cho phản ứng với axit photphoric (H3PO4) Nhỏ dung dịch axit với tốc độ 1 ml/phút và khuấy liên tục bằng cách sử dụng một máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng Tỉ lệ mol Ca/P được tính toán bằng 1,67 cho các

chất phản ứng Tiếp tục khuấy đều dung dịch cho đến khi phản ứng đã được hoàn tất và pH được duy trì ở mức 9 bằng cách bổ sung dung dịch amoniac Các sản phẩm sau đó đã được chiếu xạ vi sóng ở công suất 800 W trong 10 phút Sau đó, sản phẩm được lọc để có được kết tủa, rửa sạch kết tủa bằng nước cất và sấy khô trong lò vi sóng trong 15 phút ở công suất 480 W để loại bỏ hoàn toàn nước Các mẫu khô đã được nghiền thành bột trong cối mã não Phân tích XRD, TEM và EDX

đã được thực hiện để xác định đặc trưng cho sản phẩm thu được

Kết quả cho thấy, sử dụng vi sóng để chế tạo HA có lợi thế về thời gian phản ứng ngắn hơn, tốc độ phản ứng cao, sản phẩm HA có độ tinh khiết cao và phân bố kích thước hạt trong khoảng hẹp Chính vì vậy, HA chế tạo theo phương pháp vi sóng có thể được ứng dụng trong lớp phủ vật liệu cấy ghép

1.5 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA

1.5.1 Phương pháp 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 tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao

Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron (A0) xấp

xỉ với bước sóng của tia X

Một chùm electron đã được gia tốc, có năng lượng cao, đang chuyển động nhanh, bị hãm đột ngột bằng một vật cản, một phần năng lượng của chúng chuyển thành bức xạ sóng điện từ (tia X) gọi là bức xạ hãm

Khi một chùm tia X có bước sóng  và cường độ I đi qua vật liệu, nếu tia tới thay đổi phương truyền và thay đổi năng lượng gọi là tán xạ không đàn hồi Khi tia tới thay đổi phương truyền nhưng không thay đổi năng lượng gọi là tán xạ đàn hồi Trường hợp vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc tinh thể thì hiện tượng tán xạ đàn hồi của tia X sẽ đưa đến hiện tượng nhiễu xạ tia X Hiện tượng này chỉ xảy ra với

ba điều kiện: Vật liệu có cấu trúc tinh thể; có tán xạ đàn hồi; bước sóng của tia X (tia tới) có giá trị cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X

Trong mạng lưới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song, cách đều nhau một khoảng bằng d Một chùm tia X có bước sóng  chiếu tới bề mặt của mạng lưới tinh thể với một góc  sẽ bị phản xạ trở lại (Hình 1.17) Tất cả các tia phản xạ đó tạo nên chùm tia X song song có cùng một bước sóng và có phương truyền làm với phương tia tới một góc 2 Khi hiệu số pha giữa các tia X phản xạ là 2n (n là số nguyên), tại điểm hội tụ chùm tia X sẽ có vân giao thoa với cường độ ánh sáng cực đại

Các nguyên tử, ion này được phân bố đều trên các mặt phẳng song song, do vậy hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính bằng công thức:

Δ = 2.d.sinθ (1.14) Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song,  là góc giữa chùm tia X

và mặt phẳng phản xạ,  là hiệu quang trình của hai tia phản xạ

Từ Hình 1.17 cho thấy, hiệu quang trình giữa hai tia bằng 2.d.sin Bragg đã biểu diễn điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ bằng phương trình:

Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song,  là góc giữa chùm tia X,

n là bậc phản xạ (số nguyên dương),  là bước sóng của tia tới

Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể Căn cứ vào giá trị cực đại trên giản đồ (giá trị 2) có thể tính được d theo phương trình (1.15)

Bằng phương pháp này sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên

cứu

Ngoài việc xác định cấu trúc, phương pháp nhiễu xạ tia X còn cho phép xác

định kích thước của tinh thể Bản chất vật lý của việc xác định kích thước tinh thể

bằng phương pháp XRD là: kích thước hạt và độ rộng của vạch nhiễu xạ có mối liên

hệ phụ thuộc Mẫu có các hạt với kích thước lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ bé và

ngược lại Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước hạt trung bình của tinh

thể theo phương trình:

kλ

D =B.cosθ (1.16)

D là kích thước hạt trung bình (nm),  là góc nhiễu xạ, B là độ rộng pic đặc

trưng (radian) ở độ cao bằng nửa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,880, đối

với HA),  = 1,5406A0 là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc

vào hình dạng của hạt và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9) [18]

Trong phương trình (1.16), kích thước hạt D tỉ lệ nghịch với độ rộng B và có cos ở

mẫu số, nên muốn có giá trị D chính xác cần sử dụng vạch nhiễu xạ tương ứng với

Trong đó: - C là độ tinh thể trong bột HA;

- Y là chiều cao của pic đặc trưng (với HA, thường chọn pic có chỉ số Miller 300);

- X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic có chỉ số Miller 300 và 112)

Hình 1.18: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA

Hàm lượng pha Ca3(PO4)2 trong bột HA được đánh giá bằng phương pháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2 = 24 – 380 Hàm lượng các pha có trong bột được tính toán từ diện tích các pic đặc trưng cho mỗi pha như sau:

Hình 1.19: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP

Giản đồ XRD của mẫu cần được ghi theo cùng một chế độ với phổ chuẩn ATSM, sau đó kết quả đo được so sánh với dữ liệu ATSM

1.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

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) Dạng năng lượng được sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng

tử hoá, 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 = h (1.19) Trong đó, E là biến thiên năng lượng, h là hằng số Planck,  là tần số dao động (số dao động trong một đơn vị thời gian)

Hình 1.20 dưới đây là sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) Nguồn bức xạ (1) phát ra một chùm tia hồng ngoại với một tần

số trong vùng cần đo Chùm tia này đi qua bộ giao thoa kế (gồm gương cố định, gương di động và bộ phận phân chia chùm sáng) Bức xạ hồng ngoại sau khi đi ra khỏi giao thoa kế sẽ đi qua mẫu rồi đến detector Detector ghi nhận sự biến đổi của cường độ của bức xạ theo quãng đường d mà gương di động thực hiện được rồi chuyển thành tín hiệu điện Khi đó, thu được tín hiệu dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường:

V = f(d) (1.20) Máy tính sẽ thực hiện phép biến đổi Fourie để chuyển hàm V = f(d) thành hàm của cường độ bức xạ I theo nghịch đảo của quãng đường d (d-1)

biến đổi Fuorier