NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP Và ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NanoCOMPOSIT GIỮA HYDROXYAPATIT Và MộT Số POLYME TỰ NHIÊN Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HĨA HỌC  NGUYN TH LAN HNG NGHIÊN CứU TổNG HợP Và ĐặC TRƯNG VậT LIệU NanoCOMPOSIT GIữA HYDROXYAPATIT Và MộT Số POLYME Tù NHI£N Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 62.44.01.13 Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học HÀ NỘI – 2016 Cơng trình hồn thành tại: Phịng Vơ Viện Hóa học -Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đào Quốc Hƣơng PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Trọng Uyển Trường Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Lê Xuân Thành Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 3: GS.TS Triệu Thị Nguyệt Trường Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội (Theo Quyết định thành lập Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện số 623/QĐ-VHH, ngày 18 tháng 12 năm 2015) Luận án đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại: ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… vào hồi …… giờ, ngày …… , tháng ………, năm …………… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Tư liệu, Viện HLKH & CN Việt Nam MỞ ĐẦU Hydroxyapatit (HA) thành phần chất khống xương, mơ cứng động vật có xương sống HA tự nhiên tổng hợp có tính tương thích sinh học, gần gũi với polyme sinh học có khả tạo xương tốt Hơn nữa, vật liệu HA kích thước nanomet có tính tương thích, tái hấp thu hoạt tính sinh học cao nhiều so với vật liệu có kích thước micromet Vì vậy, năm gần đây, gốm sinh học composit sinh học chứa HA kích thước nanomet quan tâm nghiên cứu Một xu hướng chế tạo nanocomposit mô sinh học, vật liệu lai vô cơ-hữu với chất điền vào HA chất polyme Trong vật liệu nanocomposit HA/polyme, polyme đóng vai trị chất cung cấp vị trí tạo mầm, điều chỉnh phát triển hình thái học tinh thể nano HA Sự hình thành liên kết hóa học HA polyme, liên kết hydro, lực Van der Waals, phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl,… cho phép phân tán đồng HA pha hữu Nhiều polyme tổng hợp sử dụng Tuy nhiên, polyme tự nhiên thường ưa chuộng chúng sẵn có, khơng độc, số cịn tương thích phân hủy sinh học Chúng protein như: collagen, gelatin,…hoặc polysaccarit như: chitosan, tinh bột, alginat, dextran, chondroitin sunfat dẫn xuất Ở nước ta, từ năm 2005, có cơng bố bước đầu nghiên cứu tổng hợp HA đơn chất dạng bột, xốp, màng định hướng ứng dụng dược học y sinh học Riêng vật liệu composit HA/polyme có số nghiên cứu chế tạo composit chứa HA chitosan, collagen, PLA Mặt khác, nước nhiệt đới, có nguồn tinh bột từ ngũ cốc alginat từ rong biển phong phú Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có nước góp phần tạo loại vật liệu có nhiều ưu điểm khả ứng dụng dược học y sinh học, chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng vật liệu nanocomposit hydroxyapatit số polyme tự nhiên”  Mục tiêu luận án Nghiên cứu tổng hợp composit chứa HA với số polysaccarit từ ngũ cốc rong biển Việt Nam: - HA/tinh bột, HA/tinh bột sắn; - HA/maltodextrin với DE khác nhau; - HA/alginat HA/oligoalginat Xác định đặc trưng đưa mối liên hệ đặc trưng composit HA/polyme thông số cấu trúc polyme  Nội dung luận án Tổng hợp HA vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC), nhằm làm giảm kích thước, độ tinh thể HA để so sánh với pha HA vật liệu composit HA/polyme Nghiên cứu chế tạo composit HA/tinh bột hai phương pháp: phương pháp trộn phương pháp kết tủa trực tiếp Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm tỉ lệ thành phần, nhiệt độ, dung mơi, tốc độ cấp axit, sóng siêu âm, kỹ thuật làm khơ Từ đó, lựa chọn phương pháp điều kiện thích hợp để tổng hợp composit Tổng hợp composit HA/tinh bột sắn, HA/maltodextrin với DE khác phương pháp lựa chọn Khảo sát ảnh hưởng giá trị DE đến đặc trưng composit Điều chế oligome alginat, tổng hợp khảo sát đặc trưng composit HA/alginat, HA/oligoalginat  Cấu trúc luận án Luận án gồm 142 trang với 23 bảng 86 hình, trình bày phần: Mở đầu: trang, Chương Tổng quan: 34 trang, Chương 2: Thực nghiệm phương pháp nghiên cứu: 12 trang, Chương 3: Kết thảo luận: 72 trang, Kết luận kiến nghị: trang, Danh mục công trình khoa học cơng bố: trang 194 Tài liệu tham khảo: 19 trang Chƣơng TỔNG QUAN  Tổng quan tình hình nghiên cứu, tính chất, phương pháp điều chế ứng dụng hydroxyapatit (HA)  Tổng quan cấu trúc, tính chất ứng dụng polyme tự nhiên sử dụng luận án như: tinh bột (TB), maltodextrin (MD) alginat (alg)  Tổng quan tạo thành, phương pháp tổng hợp, đặc trưng ứng dụng vật liệu composit HA/polyme Chƣơng THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất nguyên liệu đầu Các polyme ban đầu xác định số đặc trưng: - Xác định đương lượng đường khử (DE) tinh bột maltodextrin; - Thủy phân cắt mạch alginat tạo thành oligoalginat; - Xác định khối lượng phân tử trung bình polyme 2.2 Tổng hợp HA vùng nhiệt độ thấp Phản ứng tổng hợp HA từ Ca(OH)2 H3PO4 thực nhiệt độ -15, -10 0oC theo phương pháp kết tủa hóa học 2.3 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/polyme 2.3.1 Composit HA/tinh bột (HA/TB)  Phương pháp trộn HA bột: mẫu composit HA/TB tổng hợp cách trộn hai thành phần HA bột dung dịch tinh bột theo tỉ lệ 1:1 khối lượng  Phương pháp trộn HA huyền phù: Phương pháp thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo phương pháp trộn huyền phù tóm tắt theo sơ đồ sau: Dung dịch tinh bột Etanol Huyền Khuấy Hỗn hợp Ly tâm, Làm Composit phù HA HA/TB rửa khô HA/TB  Phương pháp kết tủa trực tiếp: Phương pháp thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo phương pháp kết tủa trực tiếp tóm tắt theo sơ đồ sau: Dung dịch H3PO4 Dung dịch tinh bột Dung dịch Ca(OH)2 Khuấy Etanol Hỗn hợp Ca(OH)2và tinh bột Composit HA/TB Làm khô Khuấy Kết tủa Ly tâm, rửa Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm như: tỉ lệ thành phần, nhiệt độ, dung môi, tốc độ cấp axit, sóng siêu âm, kỹ thuật làm khơ khảo sát phương pháp trộn HA huyền phù phương pháp kết tủa trực tiếp 2.3.2 Composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS) Các mẫu composit HA/TBS chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp với composit HA/TB khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ thành phần 2.3.3 Composit HA/maltodextrin (HA/MD) với DE khác Các composit HA/MD với DE 12, 16, 20 25 tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp Ảnh hưởng tỉ lệ thành phần khảo sát composit HA/MD với DE 12 2.3.4 Composit HA/alginat (HA/alg) HA/oligoalginat (HA/olg) Các composit HA/alg HA/olig chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp 2.4 Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng Để xác định đặc trưng composit HA/polyme, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu: nhiễu xạ tia X máy SIEMENS D5000 (Đức), phổ hồng ngoại máy Impact 410-Nicolet FT-IR (Mỹ), hiển vi điện tử quét máy S-4800 Hitachi (Nhật), hiển vi điện tử truyền qua máy JEM 1010 (Nhật Bản), phân tích nhiệt máy TA–60 Shimadzu (Nhật Bản) phổ cộng hưởng từ hạt nhân máy Bruker AVANCE 500MHz (Đức) Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tổng hợp HA phƣơng pháp kết tủa vùng nhiệt độ thấp HA điều chế từ Ca(OH)2 H3PO4 theo phương pháp kết tủa vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC) khảo sát đặc trưng Kết phân tích giản đồ XRD (Hình 3.1) cho biết, sản phẩm HA tổng hợp nhiệt độ đơn pha, kích thước trung bình độ tinh thể giảm nhẹ nhiệt độ phản ứng giảm Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu HA tổng hợp -15, -10 0oC Ảnh SEM (Hình 3.2) mẫu cho thấy, hạt HA có kích thước nanomet, chúng kết tập thành khối 0o C -10oC -15oC Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu HA tổng hợp vùng nhiệt độ thấp Phổ FT-IR mẫu HA tổng hợp 0oC (Hình 3.3) xuất dải phổ đặc trưng cho cấu trúc HA Các dải phổ 1034, 607 567cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm PO43- Dải đặc trưng H2O tự nằm vùng 3448 1632 cm-1 Hình 3.3 Phổ FT-IR mẫu HA tổng hợp 0oC Hình 3.4 trình bày đường DTA-TGA mẫu HA tổng hợp 0oC Hình Giản phân nhiệt mẫu tổng 0oC 3.4 đồ tích HA hợp Đường TGA cho thấy, trình giảm khối lượng mẫu thể qua hai giai đoạn; giai đoạn thứ nhất, từ nhiệt độ phòng đến 200oC tương ứng với nước vật lý hóa học (giảm 3,769%) Giai đoạn thứ hai (từ 200 đến 900oC), khối lượng mẫu giảm 3,627% tương ứng với q trình bay nước hóa học, nước tinh thể phân hủy cacbonat 3.2 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột (HA/TB) 3.2.1 Phương pháp trộn HA bột Mẫu trộn HA bột với dung dịch tinh bột, tỉ lệ khối lượng HA/TB 1:1 (kí hiệu HT) khảo sát đặc trưng Giản đồ nhiễu xạ tia X HA, TB HT (Hình 3.5) cho thấy, mẫu composit HT chứa hai thành phần HA TB, với kích thước độ tinh thể HA không thay đổi so với trước trộn HA HT TB Hình 3.5 Giản đồ XRD HA, tinh bột (TB) composit HA/TB (HT) Ảnh SEM mẫu composit HT (Hình 3.6) có bề mặt khơng đồng đều, có vùng chứa hạt hình trụ HA, có vùng chứa khối tinh bột Chứng tỏ hạt HA chưa phân tán vào TB, hai pha cịn có bề mặt tách biệt TB HA HT Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu TB, HA composit HT Từ phân tích phổ FT-IR giản đồ DTA-TGA cho thấy, mẫu composit HT có hai thành phần HA TB, nhiên hai thành phần tương tác không đáng kể Từ giản đồ DTA-TGA, tính hàm lượng TB composit 52,4% 3.2.2 Phương pháp trộn HA huyền phù Composit HA/TB chế tạo cách trộn huyền phù HA với dung dịch tinh bột, tiếp khảo sát yếu tố ảnh hưởng Ảnh hưởng tỉ lệ thành phần: Giản đồ XRD mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác xuất vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA, chứng tỏ có HA đơn pha composit Kích thước trung bình độ tinh thể HA (Bảng 3.3) giảm hàm lượng tinh bột tăng (từ mẫu HT70 đến HT10) Như vậy, mạng lưới cấu trúc tinh bột hạn chế phát triển kích thước độ tinh thể HA Mẫu D (nm) Xc Bảng 3.3 Kích HT70 24 0,33 thước trung bình độ tinh thể HA HT50 22 0,28 mẫu HT30 19 0,23 composit HA/TB HT10 18 0,19 Phổ FT-IR HA, TB composit HA/TB (Hình 3.11) cho thấy, dải vùng từ 3700 đến 3400 cm-1 gán cho dao động nhóm OH tinh bột, HA nước tạo liên kết hydro nội ngoại phân tử nên dải trải rộng khơng có đỉnh sắc nét Những thay đổi vị trí dải phổ chứng minh có tương tác nhóm chức HA TB vật liệu composit tạo thành Hình 3.11 Phổ FT-IR HA, tinh bột composit HA/TB Ảnh SEM mẫu composit HA/TB cho thấy, hạt HA hình trụ, phân tán TB Hàm lượng TB cao, kích thước hạt HA Kích thước độ tinh thể HA tính từ giản đồ XRD nhỏ giảm hàm lượng tinh bột tăng lên Hình thái học bề mặt mẫu composit xác định qua ảnh SEM đồng đều, với phân bố hạt HA TB Ảnh TEM (Hình 3.25) cho thấy, biến đổi kích thước hạt HA hàm lượng TB thay đổi HT-7 HT-1 HT-5 HT-3 TB Hình 3.25 Ảnh TEM mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác Mẫu HT-7 có hạt HA hình que, dài 60 nm, đường kính 15 nm, có hạt kết dính với tinh bột Mẫu HT-5 cho thấy hạt HA phân tán đồng chất tinh bột với kích thước giảm xuống, dài 40 nm, đường kính 12 nm Mẫu HT-3 có phân tán hạt HA tinh bột đồng nhất, kích thước hạt HA tiếp tục giảm (dài 18 nm, đường kính nm) Ở mẫu HT-1, với hàm lượng tinh bột cao nhất, hạt HA có kích thước nhỏ, dài khoảng 12 nm, đường kính 2-4 nm Trên phổ FT-IR (Hình 3.26) mẫu composit HA/TB xuất dải phổ đặc trưng cho cấu trúc HA tinh bột Hình 3.26 Phổ FT-IR composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp Tuy nhiên, vị trí dải có nhiều thay đổi so với mẫu nguyên chất Bảng 3.9 trình bày thay đổi số sóng dải đặc trưng nhóm chức HA, TB composit HA/TB Bảng 3.9 Số sóng nhóm chức HA, TB composit HA/TB Số sóng (cm-1) Dao động HA TB HT-7 HT-5 HT-3 HT-1 3543 3427 3426 3428 3425 (H-O-H) OH 3571 631 CH - 4PO43- 567 1025 - 631 2929 2935 2934 2933 2925 - 564 1025 564 1028 565 1030 566 1032 Không xuất 1154 1109 1113 1158 1154 (C-O); (C-C) Như vậy, phổ hồng ngoại cho thấy, có nhiều thay đổi vị trí dải phổ, chứng tỏ tương tác HA TB composit chế tạo phương pháp kết tủa trực tiếp tốt Hơn nữa, HA tồn dạng apatit-cacbonat tương tự HA xương thể sinh vật Ảnh hưởng nhiệt độ: Kích thước độ tinh thể HA tăng theo chiều tăng nhiệt độ Tuy nhiên, có mặt TB nên xu hướng tăng không nhiều so với HA nguyên chất Ảnh hưởng tốc độ cấp axit: Ở tốc độ cấp axit lớn tạo thành pha CaP khác ngồi HA Tốc độ ml/phút thích hợp, đảm bảo thời gian phản ứng tạo thành phân tán HA đồng TB Ảnh hưởng dung môi phản ứng: Trong vật liệu composit, HA tạo thành đơn pha phân bố tốt dung môi nước thuận lợi có mặt etanol Ảnh hưởng tác động hỗ trợ sóng siêu âm: HA tăng nhẹ kích thước, độ tinh thể phân tán tốt TB có tác động sóng siêu âm Ảnh hưởng kỹ thuật làm khô: Composit đông khô tơi xốp chứa HA có kích thước độ tinh thể thấp so với sấy nhiệt 3.2.4 So sánh hai phương pháp tổng hợp vật liệu composit HA/tinh bột (HA/TB) Cả hai phương pháp tổng hợp composit chứa HA đơn pha, kích thước nanomet, phân tán chất TB Bảng 3.14 trình bày kích thước độ tinh thể HA tổng hợp -15oC, nhiệt độ phòng composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn huyền phù kết tủa trực tiếp Bảng 3.14 Kích thước độ tinh thể HA tổng hợp theo phương pháp khác Xc D (nm) theo XRD D (nm) theo SEM, TEM HA (ở -15oC) HA (nhiệt độ phòng) 0,78 HA (trộn huyền phù, HT10) 0,19 HA (kết tủa trực tiếp, HT-1) 0,10 0,27 23 31 18 13 Dài: 100 Dài: 45 Dài: 19 20-50 Đường kính: Đường kính: Đường kính: 20 12 4-6 Từ Bảng 3.14 cho thấy, kích thước độ tinh thể HA tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp giảm mạnh so với phương pháp khác Hơn nữa, có mặt tinh bột, HA phân tán đồng polyme khơng cịn tượng kết tập HA ngun chất Ngồi ra, hình thái học HA biến đổi mạnh tác dụng tinh bột phương pháp kết tủa trực tiếp Khi hàm lượng tinh bột tăng lên, hạt HA từ hình trụ chuyển sang hình cầu nanocomposit HA/TB Theo phổ FT-IR, thay đổi số sóng dải đặc trưng HA tinh bột composit chế tạo theo phương pháp kết tủa rõ rệt hơn, chứng tỏ tương tác hai pha phương pháp kết tủa trực tiếp tốt so với phương pháp trộn Hơn nữa, việc tạo HA dạng apatit-cacbonat có kích thước nhỏ, độ tinh thể thấp tương tác tốt với polyme tương tự với cấu trúc HA sinh học Như vậy, đơn giản phương pháp trộn, khả hạn chế phát triển kích thước độ tinh thể tương tác pha vô pha hữu so với phương pháp kết tủa trực tiếp Ở phương pháp kết tủa trực tiếp, tạo thành tinh thể HA xảy mơi trường có sẵn TB Có thể mơ tả hình thành vật liệu composit HA/TB theo sơ đồ sau (Hình 3.39) PO43Ca2+ -OH OHHA Tinh bột Hình 3.39 Sơ đồ hình thành HA chất tinh bột theo phương pháp kết tủa trực tiếp Nhóm hydroxyl (OH) phân tử polyme nhóm chức đóng vai trò quan trọng tạo mầm điều chỉnh phát triển kích thước hình thái học tinh thể HA Phân tử tinh bột chứa đơn vị glucozơ nối với liên kết α-glycozit, mắt xích glucozơ có ba nhóm OH tự Ban đầu, nhóm OH tinh bột tương tác với ion Ca2+, tiếp đến nhóm PO43- OH- gắn vào ion Ca2+ hấp thụ Tiếp theo, phát triển tinh thể HA định hướng vị trí tạo mầm Hơn nữa, chất tinh bột có vai trị mạng lưới 3-D, giới hạn mầm tinh thể HA lỗ có kích thước nanomet Ngồi ra, tinh bột hạn chế ion Ca2+, PO43-, OH- chuyển đến bề mặt mầm tinh thể HA Do đó, kìm hãm lớn lên kết tập tinh thể HA vật liệu composit 3.3 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS) Các mẫu composit HA/TBS với tỉ lệ thành phần khác tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp nhiệt độ phòng Để so sánh, mẫu composit tổng hợp theo phương pháp trộn HA bột dung dịch TBS, kí hiệu mẫu HS Giản đồ XRD xác nhận có HA đơn pha tạo thành composit Kích thước cấp độ nanomet độ tinh thể HA tính từ giản đồ XRD có xu hướng giảm hàm lượng TBS tăng lên HS Hình 3.40 Giản đồ XRD composit HA/TBS Ảnh SEM (Hình 3.41) ảnh TEM composit cho thấy, hạt HA hình trụ, kích thước nanomet, phân bố TB Hình thái học mẫu biến đổi kích thước hạt HA giảm hàm lượng TBS tăng lên Tuy nhiên, tượng kết tập xảy mẫu có hàm lượng HA cao (HS50, HS70) HS70 HS30 HS50 HS10 Hình 3.41 Ảnh SEM composit HA/TBS 3.4 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/maltodextrin (HA/MD) với DE khác 3.4.1 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/MD với DE 12, 16, 20 25 Các mẫu composit HA/MD với DE 12, 16, 20 25 (kí hiệu mẫu HM12, HM16, HM20 HM25) tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp Ảnh hưởng DE ảnh hưởng mạch phân tử MD đến đặc trưng composit HA/MD khảo sát Giản đồ XRD (Hình 3.45) mẫu đặc trưng cho HA với vạch nhiễu xạ mở rộng chồng chập lẫn HM12 HM16 HM20 HM25 Hình 3.45 Giản đồ XRD composit HA/MD với DE khác Đặc biệt mẫu HM25, vạch nhiễu xạ chồng chập tạo thành vùng, khơng có đỉnh riêng biệt Kích thước trung bình độ tinh thể HA giảm dần giá trị DE MD tăng Điều chứng tỏ, khối lượng phân tử trung bình thấp, mạch phân tử MD ngắn HA tạo thành có kích thước độ tinh thể thấp Ảnh TEM composit HA/MD thể Hình 3.47 HM12 HM25 HM16 HM20 MD Hình 3.47 Ảnh TEM MD composit HA/MD Trong mẫu HM12, HM16 HM20, bật lên hạt HA hình que màu đậm gắn hoàn toàn phần màu nhạt MD Kích thước hạt nhỏ, khoảng 25 nm (HM12), 20 nm (HM16) 17 nm (HM20) chiều dài, đường kính 5-10 nm HA xương động vật có cấu trúc hình que, độ tinh thể thấp với chiều dài 40-60 nm, rộng 10-20 nm, dày 1-3 nm Đặc biệt, mẫu HM25, toàn mẫu hạt composit hình cầu có kích thước 8-15 nm, khơng quan sát thấy hạt HA hình que MD riêng rẽ Điều chứng tỏ, HA MD25 tương tác tốt, tạo vật liệu lai vô cơ-hữu cấp độ phân tử 3.4.2 Ảnh hưởng tỉ lệ thành phần đến đặc trưng composit HA/MD với DE 12 Với MD có DE 12, composit HA/MD có tỉ lệ thành phần khác chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp khảo sát đặc trưng Qua kết phân tích XRD, FT-IR, SEM, TEM DTA-TGA cho thấy, HA MD hình thành nên vật liệu composit đồng cấu trúc Việc tăng hàm lượng MD làm cho hình thái học composit thay đổi phân tán HA vào MD tốt Kích thước độ tinh thể HA tạo thành nhỏ, mẫu có hàm lượng MD cao (90%), HA có chiều dài 8-12 nm, đường kính 3-5 nm Tương tác nhóm chức HA MD tốt 3.4.3 So sánh composit HA/MD với DE khác Các hệ composit HA/polyme chứa HA polysaccarit xuất phát từ tinh bột có biến đổi khối lượng phân tử trung bình tương ứng với chiều dài mạch phân tử đặc trưng giá trị DE Tinh bột sắn có DE chưa bị thủy phân, có mạch phân tử dài nhất, mức độ thủy phân dẫn xuất ngày tăng, đến MD25 (DE 25) polysaccarit có khối lượng phân tử trung bình nhỏ mạch phân tử ngắn Tương tác HA với tinh bột dẫn xuất giống nhau, chủ yếu thơng qua ngun tử canxi nhóm chức OH Tuy nhiên, khác DE tương ứng với chiều dài cấu trúc mạch phân tử polyme làm biến đổi đặc trưng composit tạo thành Với tinh bột sắn, composit HA/TBS chứa hạt tinh thể HA hình trụ, giống với HA nguyên chất, tượng kết tập hạt hạn chế phần xảy Điều do, nguyên liệu tinh bột sắn chưa qua trình xử lý, giữ nguyên cấu trúc dạng hạt bao gói chặt chẽ tan nước Do đó, tương tác HA TBS composit chưa nhiều Composit chứa HA tinh bột cho thấy hạt HA có cấu trúc hình trụ, phân tán đồng tinh bột, tương tác hai pha tốt Dung dịch tinh bột có tác dụng mạng lưới 3-D hạn chế lớn lên kết tập HA Hơn nữa, mạch xoắn kép amylozơ mạch nhánh amylopectin tinh bột tạo thành lỗ có kích cỡ nanomet “giam cầm” hạt tinh thể HA Do đó, tinh thể HA bị “đúc khn hình học” lỗ tạo nên cấu trúc HA nanomet Các composit HA/MD với giá trị DE tăng lên từ 12, 16 đến 20 có hạt tinh thể HA hình que, dài so với HA composit HA/TB Có thể do, qua trình thủy phân, mạch phân tử tinh bột bị cắt ngắn, mạch nhánh xoắn kép đi, nên khơng cịn tạo khoảng không gian để giới hạn mầm tinh thể HA Do đó, tinh thể phát triển định hướng theo mạch dài phân tử polyme, tạo nên dạng hình que dài Mặt khác, giá trị DE tăng lên 25, chiều dài mạch tinh bột ngắn đi, số lượng vị trí nhóm OH phân cực đóng vai trị tạo mầm định hướng cho HA tăng lên Điều dẫn đến hình thành số lượng lớn mầm tinh thể HA Do giới hạn nồng độ ion Ca2+, PO43-, OH- dung dịch, trình phát triển mầm tinh thể HA không tiếp tục xảy Vì thế, tinh thể HA hình thành composit HA/MD25 có độ tinh thể thấp kết hợp hồn tồn với MD tạo nên vật liệu lai vơ cơ-hữu 3.5 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) HA/oligoalginat (HA/olig) 3.5.1 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) Composit HA/alg chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp với tỉ lệ thành phần khác khảo sát đặc trưng Giản đồ XRD (Hình 3.53) mẫu xác nhận có HA đơn pha, kích thước nanomet tạo thành composit Kích thước độ tinh thể HA giảm xuống thấp hàm lượng alg tăng lên HG7 HG5 HG3 HG1 Hình 3.53 Giản đồ XRD composit HA/alg Phổ FT-IR mẫu composit HA/alg (Hình 3.56) cho thấy, alginat composit có thay đổi đáng ý, dải phổ 1644 1438 cm-1 ban đầu đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng đối xứng nhóm COO- chuyển mạnh số sóng thấp (16121619, 1416-1419 cm-1) Điều chứng tỏ, tương tác HA alginat xảy mức độ phân tử chủ yếu ngun tử Ca với nhóm COO- Hình 3.56 Phổ FT-IR alg composit HA/alg Kết hợp phân tích từ XRD, SEM, TEM FT-IR chứng tỏ hai pha (HA alginat) vật liệu composit kết hợp hồn tồn tạo nên vật liệu lai vơ cơ-hữu 3.5.2 Đặc trưng oligome alginat Để khảo sát ảnh hưởng khối polyme khác alginat đến tạo thành composit HA/olig Alginat thủy phân H3PO4 tạo thành oligoalginat giàu khối GG (kí hiệu A1) khối MM (kí hiệu A2) Bằng phương pháp XRD, FT-IR NMR chứng tỏ oligoalginat tách với độ cao 3.5.3 Nghiên cứu tổng hợp composit HA/olig Sau tách, hai oligoalginat sử dụng để tổng hợp composit HA/olig (kí hiệu HA1 HA2) theo phương pháp kết tủa trực tiếp khảo sát đặc trưng Giản đồ XRD mẫu HA/olig (Hình 3.65) có vạch nhiễu xạ đặc trưng cho pha tinh thể HA, nhiên vạch mở rộng chồng lấp lên Mặt khác, mẫu HA2 cịn quan sát rõ vạch nhiễu xạ đặc trưng pha HA, cịn mẫu HA1 cho thấy, vạch khơng tách biệt mà mở rộng tạo nên vùng nhiễu xạ Điều chứng tỏ, tinh thể HA tạo thành có mặt oligome A1 có kích thước độ tinh thể thấp so với oligome A2 HA2 HA1 Hình 3.65 Giản đồ XRD mẫu HA/olig Sự thay đổi phổ hồng ngoại hai mẫu chứng tỏ tương tác oligome A1 A2 với HA có khác biệt Tương tác HA alginat xác nhận nhóm cacboxyl tương tác tĩnh điện với ion canxi Tuy nhiên, cấu trúc gấp nếp khối GG tạo thành khoảng không gian để ion canxi vào, tạo phức –OOC-Ca-COO- dạng “hộp trứng”, với khối MM tương tác tĩnh điện Vì thế, tương tác HA với oligome A1 (giàu khối GG) khác với oligome A2 (giàu khối MM) composit HA/olig Hình 3.66 Phổ FT-IR mẫu HA/oligoalginat Ảnh TEM mẫu composit (Hình 3.68) cho biết, mẫu HA1 có cấu trúc hồn tồn đồng nhất, không quan sát thấy hạt HA oligoalginat riêng biệt HA1 HA2 Hình 3.68 Ảnh TEM mẫu HA/olig Ở mẫu HA2, tinh thể HA hình kim, dài khoảng 20-40 nm, đường kính 5-7 nm, phân tán đồng oligoalginat Nhận xét: Như vậy, việc thay đổi hàm lượng cấu trúc alginat điều chỉnh cấu trúc, hình thái học, phân tán tương tác tinh thể HA với pha hữu composit Các composit HA/alg HA/olig tạo thành phương pháp kết tủa trực tiếp mang đặc điểm, HA có kích thước nanomet, độ tinh thể thấp, tương tác với polyme tương tự HA sinh học Điểm khác hệ composit chứa HA alginat, oligoalginat dẫn xuất từ tinh bột tương tác HA polyme Các composit chứa HA dẫn xuất từ tinh bột tương tác chủ yếu qua nguyên tử canxi nhóm –OH Còn composit HA/alginat tương tác nguyên tử canxi nhóm –COOH Với điều kiện tổng hợp đưa hệ, composit HA/polyme chứa HA đơn pha, kích thước nanomet Ở vật liệu composit HA/tinh bột sắn, khả phân tán HA tinh bột sắn chưa cao, tượng kết tập Với composit HA/tinh bột, hạt HA hình trụ phân tán tốt tinh bột Các composit HA/maltodextrin, HA/alginat HA/oligoalginat chứa HA có kích thước nhỏ nhất, phân tán đồng tương tác tốt với polyme Riêng với MD25 oligoalginat giàu khối G tạo vật liệu lai vô cơ-hữu HA/polyme có ứng dụng đặc biệt y sinh học KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đã thành công việc tổng hợp nano HA phương pháp kết tủa vùng nhiệt độ thấp (0oC 0oC), sản phẩm bột HA thu đơn pha, kích thước nanomet độ tinh thể thấp Hiện tượng kết tập hạt xảy mạnh Kích thước hạt giảm xuống theo nhiệt độ thay đổi không lớn so với vùng nhiệt độ cao Đã tổng hợp thành công khảo sát số yếu tố ảnh hưởng trình chế tạo nanocomposit HA/TB theo hai phương pháp: phương pháp trộn phương pháp kết tủa trực tiếp Tác dụng làm giảm kích thước, độ tinh thể, điều chỉnh hình thái học phân tán HA tinh bột composit chế tạo phương pháp kết tủa trực tiếp vượt trội so với phương pháp trộn So với HA chế tạo vùng nhiệt độ thấp mặt tinh bột, HA composit có kích thước nhỏ độ tinh thể thấp nhiều, phân tán đồng tương tác tốt với tinh bột Đã tổng hợp thành công nanocomposit HA/TBS, HA/MD với DE 12, 16, 20, 25 phương pháp kết tủa trực tiếp xác định mối quan hệ DE MD đến đặc trưng sản phẩm DE cao, kích thước độ tinh thể HA composit nhỏ Riêng nanocomposit HA/MD với DE 25, chế tạo vật liệu lai vô cơ-hữu cấp độ phân tử với cấu trúc đồng chứa HA tương tự HA sinh học Đây điểm luận án Đã tổng hợp thành công nanocomposit HA/alginat HA/oligoalginat theo phương pháp kết tủa trực tiếp xác định mối quan hệ cấu trúc alginat đến đặc trưng composit Từ kết đặc trưng XRD, FT-IR, SEM, TEM TGA-DTA khẳng định thành công việc tạo hệ vật liệu lai vô cơ-hữu Đây điểm luận án Từ kết nghiên cứu hai hệ nanocomposit HA/polyme với polyme từ tinh bột từ alginat, phân biệt tương tác HA dẫn xuất tinh bột (tương tác nguyên tử canxi nhóm –OH) alginat (tương tác nguyên tử canxi nhóm–COOH dạng phức “hộp trứng”) Đây điểm luận án Các kết nghiên cứu mở khả tổng hợp vật liệu sinh học nanocomposit HA/polyme điều chỉnh cấu trúc tính chất cách thay đổi phương pháp, điều kiện phản ứng cấu trúc polyme phù hợp cho ứng dụng y sinh học khác Kiến nghị Cần có nghiên cứu sâu để xác định ứng dụng cụ thể vật liệu nanocomposit HA/polyme Đối với composit sử dụng làm vật liệu cấy ghép mô xương, cần nén, ép composit dạng bột thành dạng khối xốp đánh giá tính tương thích sinh học qua phép thử in vitro, in vivo Xác định tính chất lý, kích thước lỗ xốp, phân bố lỗ xốp tốc độ phân hủy sinh học phù hợp cho vật liệu cấy ghép phẫu thuật chỉnh hình Đối với composit mang nhả chậm thuốc, cần đánh giá khả mang tốc độ nhả thuốc phù hợp môi trường sinh lý thể Với định hướng sử dụng nanocomposit HA/polyme dạng bột làm thực phẩm chức thuốc bổ sung canxi, nghiên cứu đánh giá tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học khả hấp thu thể Ngoài cần kiểm tra tiêu độ an toàn, độ ổn định, độ nhiễm khuẩn đặc tính dược động học vật liệu Đây loại vật liệu sử dụng trực tiếp cho thể người, cần có tham gia nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực sinh học, y học dược học DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Tổng hợp bột hydroxyapatit phương pháp kết tủa vùng nhiệt độ thấp, Tạp chí Hóa học, 2012, 50(5B), 250-253 Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến đặc trưng compozit hydroxyapatit/tinh bột tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2013, 51(2A), 125-129 Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Synthesis of hydroxyapatite/starch composite by precipitation method, Tạp chí Hóa học, 2013, 51(3AB), 255-259 Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến số đặc trưng compozit hydroxyapatit/maltodextrin tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2013, 51(3AB), 245-248 Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Ảnh hưởng hàm lượng maltodextrin đến đặc trưng compozit hydroxyapatit/maltodextrin tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2013, 51(6ABC), 436-440 Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Tổng hợp compozit hydroxyapatit/maltodextrin (DE = 13-17) phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2014, 52(5A), 119-123 Phạm Thị Ngọc Bích, Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Vũ Duy Hiển, Ảnh hưởng hàm lượng alginat đến đặc trưng compozit canxi hydroxyapatit/alginat tổng hợp phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2014, 52(5A), 270-274 Nguyen Thi Lan Huong, Dao Quoc Huong, Phan Thi Ngoc Bich, Vu Duy Hien, Nguyen Thi Hanh, Influence of starch content on the characteristics of hydroxyapatite/starch composite synthesized using insitu precipitation, Vietnam Malaysia International Chemical Congress (VMICC 2014), November 7-9, 2014, Hanoi Vietnam, 95 Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Hồng Thị Tình, Vũ Duy Hiển, Nguyễn Thị Hạnh, Tổng hợp nanocompozit hydroxyapatit chất tinh bột sắn (Tapioca), Tạp chí Hóa học, 2015, 53(3e12), 228-232 10 Nguyễn Thị Hạnh, Nguyễn Thị Thêu, Đào Quốc Hương, Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatit từ vỏ sị Lăng Cơ phương pháp kết tủa, Tạp chí Hóa học, 2015, 53(5e3), 116-121