Phân tích xác định thành phần và các đặc trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐÀO THỊ THANH TÂM PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA COMPOSITE CANXI HYDROXYAPATITE VỚI ALGINATE LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên-2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐÀO THỊ THANH TÂM PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA COMPOSITE CANXI HYDROXYAPATITE VỚI ALGINATE Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích Thái Nguyên-2018 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực Những kết luận luận văn chưa cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN ĐÀO THỊ THANH TÂM ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích hướng dẫn em tận tình, chu đáo suốt trình làm luận văn, giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy tổ mơn Hố Phân Tích, Ban chủ nhiệm khoa Hố học, trường Đại học Khoa học Thái Nguyên giúp em hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tới ban lãnh đạo viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, đặc biệt phịng Hóa vơ đã tạo điều kiện cho mặt thời gian sở vật chất để tơi hồn thiện đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp, gia đình quan tâm, giúp đỡ động viên tơi suốt q trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Học viên Đào Thị Thanh Tâm iii MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Canxi hydroxyapatite 1.1.1 Đặc điểm, tính chất 1.1.2 Ứng dụng 1.1.3 Các phương pháp tổng hợp 1.2 Alginate 1.2.1 Đặc điểm, tính chất 1.2.2 Ứng dụng alginate 12 1.3 Composite canxi hydroxyapatite với alginate 14 1.3.1 Đặc điểm, tính chất ứng dụng 15 1.3.2 Kỹ thuật phương pháp chế tạo 16 1.3.3 Ứng dụng composite HA/polyme 17 1.4 Tình hình nghiên cứu HA composite HA/ Alginate nước ta 19 1.5 Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần đặc trưng vật liệu 20 1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 20 1.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 21 1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét 21 1.5.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua 21 1.5.5 Phương pháp phân tích nhiệt 22 1.5.6 Phương pháp sắc ký tẩm thấu gel (GPC) 22 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 24 2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 24 2.1.1 Dụng cụ 24 2.1.2 Thiết bị 24 2.1.3 Hóa chất 24 2.2 Alginate oligoalginate 25 2.2.1 Chuẩn bị alginate oligoalginate 25 iv 2.2.2 Xác định thành phần đặc trưng alginate oligoalginate 25 2.3 Tổng hợp composite HA/Alg 25 2.3.1 Tiến trình tổng hợp 25 2.3.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp vật liệu 26 2.4 Phân tích, xác định thành phần đặc trưng HA/Alg 27 2.4.1 Xác định thành phần pha đặc trưng cấu trúc vật liệu 27 2.4.2 Phân tích, đánh giá hình thái học kích thước hạt vật liệu 27 2.4.3 Phân tích, đánh giá đặc trưng nhiệt tính chất nhiệt vật liệu 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Chuẩn bị alginate oligoalginate 29 3.1.1 Phân tích đặc trưng cấu trúc alginate ban đầu 29 3.1.2 Tách xác định đặc trưng oligoalginate giàu khối M khối G 34 3.2 Nghiên cứu trình tổng hợp composite HA/Alg 36 3.2.1 Phân tích hàm lượng alginate cần thiết 37 3.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 40 3.2.3 Ảnh hưởng dung môi rửa 42 3.2.4 Vai trò cấu trúc polyme alginate 42 3.3 Phân tích xác định thành phần số đặc trưng tính chất composite hướng đến ứng dụng dược phẩm 46 3.3.1.Thành phần HA alginate 46 3.3.2 Hàm lượng kim loại nặng vi sinh vật 47 3.3.3 Độ nhiễm khuẩn 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 Tiếng Việt 49 Tiếng Anh 50 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT HA Canxi hydroxyapatit HA/Alg Composite HA alginate XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai - nhiệt trọng lượng GPC Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các mẫu thực nghiệm với tỷ lệ HA/Alg khác 26 Bảng 3.1 Kết phân tích phổ 13C-NMR mẫu alginate 32 Bảng 3.2 Kết phân tích phổ 1H-NMR mẫu alginate 33 Bảng 3.3 Hàm lượng alginate thực tế mẫu composite .38 Bảng 3.4 Các mẫu alginate 43 Bảng 3.5 Hàm lượng kim loại nặng mẫu composite .47 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh SEM dạng tồn tinh thể HA Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng sở tinh thể HA Hình 1.3: Cơng thức cấu tạo phân tử HA Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp phương pháp khác Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật xương gốm HA dạng khối xốp dạng hạt Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý phương pháp kết tủa Hình 1.8: Quá trình tạo vỡ bọt tác dụng sóng siêu âm Hình 1.9: Đặc trưng cấu trúc alginate: a) Các monome alginate; b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố khối mạch alginate 10 Hình 1.10: Các mơ hình liên kết ion Ca2+ alginate 11 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp composite HA/Alg 25 Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu alginate 29 Hình 3.2 Phân bố trọng lượng phân tử mẫu alginate 30 Hình 3.3 Phổ FTIR mẫu alginate 31 Hình 3.4 Phổ 13C NMR mẫu alginate 32 Hình 3.5 Phổ 1H NMR mẫu alginate 33 Hình 3.6 Phân bố trọng lượng phân tử mẫu G(a) M(b) tạo thành 35 Hình 3.7 Phổ 13C NMR mẫu G (a) M (b) 36 Hình 3.8 Giản đồ TG-DTA mẫu HA, mẫu alginate ban đầu mẫu composite với hàm lượng alginate khác 38 Hình 3.9 Giản đồ XRD mẫu composite với hàm lượng alginate khác 39 Hình 3.10 ảnh SEM mẫu composite với hàm lượng alginate thay đổi so sánh với mẫu HA alginate 39 Hình 3.10 Ảnh SEM mẫu HA/Alg 40 Hình 3.11 Giản đồ XRD mẫu composite HA/Alg 41 Hình 3.12 Ảnh TEM mẫu HA/Alg viii tổng hợp nhiệt độ khác nhau: a 10oC, b 30oC c 60o 41 Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu composite 42 Hình 3.14 Ảnh SEM mẫu HA mẫu composite 43 Hình 3.15 Ảnh TEM mẫu composite với alginate khác a-HA, b-HAA1, c-HAG, d-HAM, e-HAA2 44 Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu composite HA/alginate 46 42 3.2.3 Ảnh hưởng dung mơi rửa Trong thành phần composite, HA kết tủa hồn tồn từ dung dịch nước, cịn alginate lại có khả tan nước Một phần alginate kết tủa với HA, nhiên, để trì khả bảo vệ hạt nano HA chất alginate, sau trình phản ứng, rửa thu sản phẩm cần dùng dung mơi kết tủa tốt alginate Ở đây, dung môi nghiên cứu nước, hỗn hợp ethanol/nước tỷ lệ 1/1 hỗn hợp ethanol/nước tỷ lệ 2/1 Mẫu tạo thành với tỉ lệ HA:Alg =2,5:1 lựa chọn phần 3.2.1 Kết đo phân tích nhiệt xác định hàm lượng alginate mẫu rửa nước, hỗn hợp ethanol/nước ethanol 16.7, 23.7 26.3% Ảnh SEM mẫu rửa nước, hỗn hợp ethanol/nước tỷ lệ 1/1 hỗn hợp ethanol/nước tỷ lệ 2/1 đưa Hình 3.13 a, b c tương ứng Từ kết phân tích nhiệt ảnh SEM, thấy hỗn hợp có tỉ lệ ethanol/nước = 1/1 hỗn hợp ethanol/nước tỷ lệ 2/1 cho kết không khác nhiều Tuy nhiên, alginate nghiên cứu có độ dài phân tử tương đối khác dẫn đến độ tan nước khác nên để đảm bảo đủ lượng alginate thành phần composite, hỗn hợp ethanol/nước tỷ lệ 2/1 lựa chọn cho nghiên cứu Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu composite rửa dung mơi khác 3.2.4 Vai trị cấu trúc polyme alginate Như trình bày phần Thực nghiệm, để xác định vai trò cấu trúc polyme alginate, thí nghiệm tiến hành bốn mẫu alginate với giá trị trọng lượng phân tử khác (Bảng 3.4) Trong đó, mẫu alginate đưa thêm vào để so sánh, có trọng lượng phân tử gần tương đương với olioalginate khối G khối M (giản đồ GPC xác định trọng lượng phân tử mẫu đưa phần phụ lục) 43 Các mẫu composite tạo thành kí hiệu HAA1, HAG, HAM HAA2 Bảng 3.4 Các mẫu alginate alginate ban đầu (A1) Trọng lượng phân tử trung bình (Dalton) 80941 Oligoalginate khối G (G) 45240 Oligoalginate khối M (M) 42181 Mẫu alginate so sánh (A2) 50130 Mẫu alginate (kí hiệu ) Ảnh SEM mẫu composite so sánh với mẫu HA Hình 3.14 (HA) (HAA1) (HAG) (HAM) (HAA2) Hình 3.14 Ảnh SEM mẫu HA mẫu composite với alginaet khác 44 Từ ảnh SEM mẫu HA, thấy hạt HA gần hình trịn với kích thước 20-30 nm Tuy nhiên chúng xếp thành chuỗi ngắn, số chuỗi lại dính thành đám với kích thước hai chiều khoảng 30-60 nm 80-100nm Ảnh SEM mẫu HAA1 HAA2 có hình thái hạt tương tự nhau, hạt xếp gần hình que nhỏ đáng kể, khoảng 20-30 nm chiều rộng dài khoảng 50-60 nm Trong mẫu HAA1, hạt phân bố dường rời rạc e Hình thái hạt thể khác biệt rõ rệt mẫu HAG mẫu HAM Trong mẫu HAG, khơng cịn xu hướng kết hạt thành chuỗi dài mẫu HA mẫu HAA Còn mẫu HAM, đặc điểm kết thành chuỗi lại thể rõ với chuỗi hạt dài, hẹp phân bố rời rạc Những quan sát từ ảnh SEM vai trò định chất alginate đến hình thái hạt HA Kết luận khẳng định rõ với kết chụp ảnh TEM (Hình 3.15) a b d c e Hình 3.15 Ảnh TEM mẫu composite với alginate khác a-HA, b-HAA1, c-HAG, d-HAM, e-HAA2 Có tập hợp dạng que chiều rộng khoảng 30-50 nm dài tới 100 nm ảnh TEM mẫu HA, tương ứng với đám chuỗi hạt ảnh SEM Với mẫu 45 HAA1 HAA2 mức độ tập hợp hạt có giảm Đặc biệt mẫu HAA1, phân tán hạt HA cải thiện rõ rệt Còn ảnh TEM mẫu HAG nhìn thấy hạt HA tương đối ngắn gần tròn với biên hạt rõ Mặc dù hạt HA chưa tách rời hồn tồn, số hạt phân biệt với kích thước nhỏ, khoảng 20-30 nm Với mẫu HAM quan sát thấy chuỗi dài hạt tương tự ảnh SEM Trong hình thành HA/polyme, vai trị polyme nói chung cung cấp vị trí tạo mầm cấu trúc, kiểm sốt hình thái kích thước hạt nano HA phân bố chúng mạng polyme Như số nghiên cứu ra, nồng độ nhóm carboxyl, hydroxyl hay amin phân tử polyme có ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ chế tạo mầm HA Tiếp theo, mật độ vị trí tạo mầm ảnh hưởng đến kích thước tập hợp hạt hình thái chúng [76, 77] Tương tác HA alginat xác nhận nhóm cacboxyl tương tác tĩnh điện với ion canxi [157, 159, 160] Tuy nhiên, cấu trúc gấp nếp khối GG tạo thành khoảng không gian để ion canxi chui vào, tạo phức –OOCCa-COO- dạng “hộp trứng”, cịn với khối MM tương tác tĩnh điện [78, 79, 80] Trong nghiên cứu này, mẫu alginate khác độ dài chuỗi phân tử đặc trưng giá trị trọng lượng phân tử trung bình Mw khác cấu trúc khơng gian tồn khối G với cấu trúc gấp nếp hay khối M với cấu trúc dạng phẳng chuỗi phân tử chúng Trong số polyme, mẫu G bao gồm chủ yếu khối GG, mẫu M chủ yếu khối M, mẫu A1 A2 phân tử chúng có mặt khối G khối M nằm xen kẽ với khối GM , điểm khác biệt mẫu A1 có mạch phân từ dài đáng kể thể qua giá trị Mw 80 kDa A2 có Mw khoảng 50 kDa Trong mẫu HAG, oligoalginate G bao gồm chủ yếu khối GG, cấu trúc gấp nếp khối GG tạo thành khoảng không gian để ion canxi chui vào, tạo phức –OOC-Ca-COO- dạng “hộp trứng”, tiếp đến ion Ca2+, OH-, PO43- dung dịch khuếch tán đến vị trí -COO Ca COO- sợi alginate để hình thành mầm tinh thể HA Sự phát triển hạt HA bị giới hạn không gian “hộp trứng” nên có xu hướng thu ngắn giảm tượng kết dính hạt Trong mẫu HAM, tương tác HA oligome M giàu khối MM chủ yếu tương tác tĩnh điện nhóm –COO- mang điện âm ion canxi mang điện 46 dương Các nhóm –COO- phân tử alginate vị trí tạo mầm định hướng phát triển tinh thể HA theo mạch dài polyme [80] Vì thế, tinh thể HA xếp thành chuỗi dài thấy ảnh SEM TEM Còn hai mẫu HAA1 HAA2, phân tử chúng có mặt khối G khối M nằm xen kẽ với khối GM Các hạt HA hình thành vừa xếp chuỗi dài mạch polyme vừa bị chi phối cấu trúc hộp trứng phân tử alginate, nên so với mẫu HA khơng có alginate, kích thước chuỗi hạt HA giảm đi, đồng thời mức độ phân tán hạt cải thiện Điểm khác biệt mẫu A1 có mạch phân từ dài đáng kể thể qua giá trị Mw 80 kDa A2 có Mw khoảng 50 kDa Có thể chuỗi dài phân tử A1 tạo nên nhiều khoảng không gian giới hạn, khiến cho hạt HA bớt kết dính, trở nên phân tán hơn, thể rõ qua ảnh TEM Như vậy, có mặt alginate làm thay đổi kích thước phân bố hạt HA composite Alginate chất để hạt HA kết tủa phân tán đồng đều, làm thay đổi hình dạng tinh thể kìm hãm phát triển kích thước hạt HA Với cấu trúc khác alginate, composite tạo thành có hình thái kích thước hạt thay đổi 3.3 Phân tích xác định thành phần số đặc trưng tính chất compositehướng đến ứng dụng dược phẩm 3.3.1.Thành phần HA alginate Hàm lượng HA alginate xác định phương pháp phân tích nhiệt Kết phân tích nhiệt mẫu đại diện cho Hình 3.16 Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu composite HA/alginate 47 Từ kết phân tích nhiệt, xác định hàm lượng alginate mẫu 26.3% tính mẫu khơ Từ tính hàm lượng HA khoảng 73% mẫu khô Kết tương đối phù hợp với giá trị hàm lượng Ca xác định từ phương pháp quang phổ phát xạ cao tần ICP-OES (khoảng 70% mẫu thường) 3.3.2 Hàm lượng kim loại nặng vi sinh vật Bảng 3.4 trình bày kết xác định hàm lượng số kim loại nặng mẫu composite So sánh kết xác định với Giới hạn hàm lượng kim loại nặng thực phẩm theo quy định Bộ Y tế QCVN8-2:2011/BYT cho thấy hàm lượng kim loại nặng mẫu thấp ngưỡng cho phép Như vậy, để hướng đến sử dụng làm nguyên liệu cho thực phẩm chức năng, composite HA/alginate hoàn toàn đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm tiêu kim loại nặng Bảng 3.5 Hàm lượng kim loại nặng mẫu composite STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Phương pháp thử HA/Alg QCVN 8-2:2011/BYT As mg/kg SMEWW < 0,01 1.30 Pb mg/kg 3125:2012 2,86 0.61 Cd mg/kg &