Tổng hợp và khảo sát một số đặc trưng của vật liệu Compozit giữa Canxi HYDROXYAPATIT (HA) và tinh bột sắn (TAPIOCA) : Luận văn ThS. Hóa học: 60 44 01 13

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HỐ HỌC HỒNG THỊ TÌNH TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT GIỮA CANXI HYDROXYAPATIT (HA) VÀ TINH BỘT SẮN (TAPIOCA) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN HÀN LÂM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HỐ HỌC HỒNG THỊ TÌNH TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU COMPOZIT GIỮA CANXI HYDROXYAPATIT (HA) VÀ TINH BỘT SẮN (TAPIOCA) Chun ngành : Hóa Vơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐÀO QUỐC HƢƠNG Hà Nội – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Trong luận văn có tham khảo số kết nghiên cứu nhà khoa học nƣớc thế giới nhƣng đƣơ ̣c thích c ụ thể Cơng trình chƣa đƣợc tác giả công bố Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2014 Học viên Hoàng Thị Tình i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho gửi lời biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đào Quốc Hương Th.S Nguyễn Thị Lan Hương nhiệt tình trực tiếp hƣớng dẫn, bảo, động viên tơi suốt q trình làm thực nghiệm hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích, TS Vũ Duy Hiển, Th.S Nguyễn Thị Hạnh, KSC Phạm Văn Lâm Th.S Quản Thị Thu Trang có nhiều giúp đỡ tơi q trình làm luận văn phịng Hóa Vơ (Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt cơng việc thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2014 Học viên Hoàng Thị Tình ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HA Canxi hydroxyapatit XRD Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X FTIR Phƣơng pháp phổ hấp thụ hồng ngoại SEM Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét TEM Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua DTA-TGA Phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai – phân tích nhiệt trọng lƣợng iii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phần trăm hàm lƣợng amylozơ amylopectin tinh bột 20 Bảng 1.2: Sản lƣợng tinh bột sắn giới năm 2001 21 Bảng 1.3: Độ tăng kích thƣớc trung bình số loại tinh bột nƣớc 24 Bảng 1.4: Nhiệt độ hồ hóa số tinh bột tự nhiên 25 Bảng 1.5: Bƣớc sóng đặc trƣng nhóm chức 39 Bảng 3.1: Ảnh hƣởng hàm lƣợng tinh bột sắn đến kích thƣớc độ tinh thể HA compozit HA/tinh bột sắn 52 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng nồng độ chất phản ứng đến kích thƣớc trung bình độ tinh thể HA compozit HA/tinh bột sắn 59 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến kích thƣớc tinh thể trung bình HA compozit HA/tinh bột sắn 63 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng tốc độ khuấy trộn đến kích thƣớc tinh thể trung bình độ tinh thể HA compozit HA/tinh bột sắn 66 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng tốc độ cấp axit đến kích thƣớc tinh thể trung bình độ tinh thể HA compozit HA/tinh bột sắn 69 Bảng 3.6: Ảnh hƣởng dung mơi rửa đến kích thƣớc tinh thể trung bình độ tinh thể HA compozit HA/tinh bột sắn 71 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng sóng siêu âm đến kích thƣớc tinh thể trung bình độ tinh thể HA compozit HA/tinh bột sắn 72 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh SEM dạng tinh thể HA Hình 1.2: Công thức cấu tạo phân tử HA Hình 1.3: Quá trình tạo lớp men HA bề mặt Hình 1.4: HA xốp tổng hợp từ san hô sử dụng làm mắt giả Hình 1.5: Sửa chữa khuyết tật xƣơng gốm HA dạng khối xốp dạng hạt Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp phƣơng pháp khác Hình 1.7: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể Hình 1.8: Sơ đồ ngun lí phƣơng pháp kết tủa Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí phƣơng pháp sol – gel 10 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí phƣơng pháp phun sấy 10 Hình 1.11: Quá trình tạo vỡ bọt dƣới tác dụng sóng siêu âm 11 Hình 1.12: Sơ đồ ngun lí phƣơng pháp siêu âm hóa học 12 Hình 1.13: Sơ đồ ngun lí thiết bị phản ứng thủy nhiệt 13 Hình 1.14: Sơ đồ ngun lí phƣơng pháp plasma 14 Hình 1.15: Sơ đồ ngun lí phƣơng pháp bốc bay chân khơng 14 Hình 1.16: Sơ đồ ngun lí phƣơng pháp phún xạ magnetron 15 Hình 1.17: Cấu tạo tinh bột 18 Hình 1.18: Cấu trúc chuỗi phân tử amylozơ 19 v Hình 1.19: Cấu trúc phân nhánh amylopectin 19 Hình 1.20: Ảnh SEM tinh bột sắn 22 Hình 1.21: Phản ứng thủy phân tinh bột 24 Hình 1.22: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS 33 Hình 1.23: Sơ đồ chế tạo compozit HA/chitin theo phƣơng pháp Gea 34 Hình 1.24: Sơ đồ chế tạo compozit HA/collagen sử dụng phƣơng pháp đồng kết tủa Kikuchi 34 Hình 1.25: Sơ đồ nguyên lí phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 36 Hình 1.26: Sơ đồ nguyên lí thiết bị quang phổ hồng ngoại (FTIR) 38 Hình 1.27: Sơ đồ ngun lí phƣơng pháp SEM 40 Hình 1.28: Nguyên tắc chung phƣơng pháp TEM 40 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/tinh bột sắn 44 Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/tinh bột sắn 45 Hình 3.1: Giản đồ XRD mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn khác 51 Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn khác 53 Hình 3.3: Ảnh TEM mẫu HA mẫu compozit HA/tinh bột sắn 54 Hình 3.4a: Phổ FTIR mẫu HA 55 Hình 3.4b: Phổ FTIR mẫu tinh bột sắn ban đầu 56 Hình 3.5: Phổ FTIR mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn khác 56 Hình 3.6: Giản đồ DTA-TGA mẫu compozit HA/tinh bột sắn 57 vi Hình 3.7: Giản đồ XRD mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp nồng độ chất phản ứng khác 58 Hình 3.8: Ảnh SEM compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp nồng độ khác 60 Hình 3.9: Phổ FTIR compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp nồng độ chất phản ứng khác 61 Hình 3.10: Giản đồ XRD compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp nhiệt độ phản ứng khác 62 Hình 3.11: Ảnh SEM mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp nhiệt độ phản ứng khác 63 Hình 3.12: Phổ FTIR mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp nhiệt độ phản ứng khác 64 Hình 3.13: Giản đồ XRD mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp tốc độ khấy trộn khác 65 Hình 3.14: Ảnh SEM mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp tốc độ khuấy trộn khác 66 Hình 3.15: Phổ FTIR mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp tốc độ khuấy trộn khác 67 Hình 3.16: Giản đồ XRD mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp tốc độ cấp axit khác 68 Hình 3.17: Ảnh SEM mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp tốc độ cấp axit khác 69 Hình 3.18: Giản đồ XRD mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp dung môi rửa khác 70 Hình 3.19: Giản đồ XRD mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp có khơng có sóng siêu âm 72 vii Hình 3.20: Ảnh SEM mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp có khơng có sóng siêu âm 73 Hình 3.21: Phổ FTIR mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp có khơng có tác dụng của sóng siêu âm 73 Hình 3.22: Ảnh SEM mẫu compozit HA/tinh bột sắn đƣợc tổng hợp hai điều kiện làm khô sản phẩm khác 74 viii 56 Meskinfam M., Sadjadi M S., Jazdarreh H (2011), Biomimetic Preparation of Nano Hydroxyapatite in Gelatin-Starch Matrix, World Academy, Engineering and Technology 57 Milenko Markovie, Bruce O Fowler, Ming S Tung (2004), Preparation and Comprehensive Characterization of a Calcium Hydroxyapatite Reference Material, J Res Natl Inst Stand Technol., (9), (E-6), pp 552 - 568 58 Murugan R., Ramakrishna S (2007), “Development of Cell-Responsive Nanophase Hydroxyapatite for Tissue Engineering”, American Journal of Biochemistry and Biotechnology, 3(3), pp 118 - 124 59 Neih T G., Choi B W., Jankowski A F (2001), Minerals, Metal and Materials, Society Annual Meeting and Exhibition, New Orlean, L.A 60 Nestor J Zaluzec (2003), The Scanning Confocal Electron Microscope, Microscopy - Today, (6), pp - 12 61 Pekka Ylinen (2006), Applications of Coralline Hydroxyapatite with Bioabsorbable Containment and Reinforcement as Bone Graft Substitute, Academic Dissertation, University of Helsinki 62 Pierre Layrolle, Atsuo Ito, Tetsuya Tateishi (1998), “Sol-Gel Synthesis of Amorphous Calcium Phosphate and Sintering into Microporous Hydroxyapatite Bioceramics”, Journal of the American Ceramic Society-Layrolle, 81(6), pp 1421 - 1428 63 Qiyi Z., Yang L (2005), Electrochemical Activation of Titanium for Biomimetic Coating of Calcium Phosphate, Biomaterials, (26), pp 3853 - 3859 64 Rocha H G., Lemos A F., Kannan S., Agathopoulos S (2005), Hydroxyapatite Scaffolds Hydrothermally Grown from Aragonitic Cuttlefish Bones, J Mater Chem., (15), pp 5007 - 5011 83 65 Rusu V M., C H Ng., Wike M., Tiersch B., Fratzl P., and Peter M G (2005), Size-controlled hydroxyapatite nanoparticles as self- organized organic-in organic composite materials, Biomateriala, 26(26), pp 5414 - 5426 66 Sadjadi M S., Meskinfam M., Jazdarreh H (2010), Hydroxyapatite–starch nano biocomposites synthesis and characterization, International Journal of Nano Dimension, 1(1), pp 57-63 67 Schwars K., Epple M (1998), Hierarchically structural polyglycolide - a biomaterial mimicking natural bone Macromol.Rapid Commun, pp 613 – 617 68 Shekhar Nath, Krishanu Biswas and Bikramjit Basu (2008), Phase stability and microstructure development in hydroxyapatite-mullite system, Science Direct, Scripta Materialia, (58), pp 1054 – 1057 69 Shikhanzadeh M (1991), Bioactive Calcium Photphate Coating Prepared by Electrodeposition, J Mat Sci Let., (10), pp 1415 - 1417 70 Siva Rama Krishn D., Chaitanya C K., Seshadri S K., Sampath Kumar T S (1991), Fluorinated Hydroxyapatite by Hydrolysis under Microwave Irradiation, Trends Biomater Artif Organs, 16(1), pp 15 - 17 71 Sunny M C., Ramesh P and Varma H K (2002), Microstructured microspheres of hydroxyapatite ceramic J Mater Sci Mater Med., (13), pp 623 - 632 72 Tucker B E., Cottel C M., Auyeung R C Y., Spector M., Nancollas G H (1996), Pre – conditioning and dual constant composition dissolution kinetics of pulsed laser deposed hydroxyapatite thin films on silicon substrates Biomaterials, (17), pp 631 – 637 73 Viorel Marin Rusu, Chuen-How Ng., Max Wilke, Brigitte Tiersch, Peter Fratzl, Martin G Peter (2005), Size-controlled hydroxyapatite nanoparticles as self-organized 84 organic–inorganic composite materials, Biomaterials (26), pp 5414 – 5426 74 Vijayalakshmi U., Rajeswari S (2006), Preparation and Characterization of Microcrystalline Hydroxyapatite Using Sol Gel Method, Trends Biomater Artif Organs, 19(2), pp 57 - 62 75 Wahl D A., Czernuszka J T (2006), Collagen-Hydroxyapatite Composites for Hard Tissue Repair, European Cells and Materials, (11), pp 43 56 76 Wang M., Joseph R., Bonfield W (1998), Hydroxyapatite polyethylene composites for bone substitution, Biomaterials, (19), pp 2357 – 2366 77 Xing Zhang and Kenneth S Vecchio (2007), Hydrothermal Synthesis of Hydroxyapatite Rods, Journal of Crystal Growth, 308(1), pp 133 140 78 Yoshitaka S., Atsumasa U., Feza K., Nobuhito A, Keiro O (1992), Calcium Hydroxyapatite Ceramic used as a Delivery System for Antibiotics, J Bone Joint Surg [Br], 74B(4), pp 600 - 604 79 Yamaguchi I., Tokuchi K., Fukuzaki H., Koyama Y., Takakuda K., Monma H, Tanaka J (2001), Preparation and microstructure analysis of chitosan/hydroxyapatite nanocomposites J Biomed Mater Res., (55), pp 20 – 27 80 Yaylaoglu M B., Korkusuz P Ors., Kurkusuz U F., Hasirci V (1999), Development of a calcium phosphate – gelatin composite as a bone, Biomaterials, (20), pp 711 – 719 85 PHỤ LỤC Một số kết XRD Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn 10% (TBS10) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn 10% (TBS10) I Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ khuấy 100 – 150 vòng/phút (K1) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ khuấy 450 – 500 vòng/phút (K3) II Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ cấp axit ml/phút (V1) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ cấp axit 1,5 ml/phút (V2) III Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với nhiệt độ phản ứng 50oC (T50) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn có sóng siêu âm (SA) Một số kết FTIR IV Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn 10% (TBS10) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn 40% (TBS40 V Mẫu HA riêng rẽ Mẫu tinh bột sắn ban đầu VI Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với nồng độ Ca(OH)2 0,15 M H3PO4 0,09 M (C1) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với nồng độ Ca(OH)2 1,5 M H3PO4 0,9 M (C3) VII Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ khuấy 100 – 150 vòng/phút (K1) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ khuấy 450 – 500 vòng/phút (K3) VIII Kết phân tích nhiệt Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn 10% (TBS10) Kết TEM IX Một số kết ảnh SEM Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ khuấy 100 – 150 vòng/phút (K1) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với tốc độ khuấy 300 – 350 vòng/phút (K2) X Mẫu compozit HA/tinh bột sắn có ảnh hƣởng sóng siêu âm (SA) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với nồng độ Ca(OH)2 0,15 M H3PO4 0,09 M (C1) XI Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với nồng độ Ca(OH)2 1,5 M H3PO4 0,9 M (C3) Mẫu compozit HA/tinh bột sắn với hàm lƣợng tinh bột sắn 70% (TBS70) XII