Tổng hợp forsterite bằng pháp SOL GEL ứng dụng làm vật liệu y sinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO THỊ PHƯƠNG THẢO TỔNG HỢP FORSTERITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU Y SINH Chun ngành: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Mã số ngành: 60 52 75 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀO THỊ PHƯƠNG THẢO TỔNG HỢP FORSTERITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU Y SINH CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC MÃ SỐ CHUN NGÀNH: 60 52 75 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Lê Minh Viễn Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Đỗ Quang Minh Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Nguyễn Đình Thành Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 25 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Đỗ Quang Minh PGS TS Nguyễn Đình Thành TS Lê Quang Long TS Lý Cẩm Hùng TS Lê Minh Viễn Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Lê Quang Long TRƯỞNG KHOA PGS TS Phan Thanh Sơn Nam ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đào Thị Phương Thảo MSHV: 11054173 Ngày, tháng, năm sinh: 08/10/1985 Nơi Sinh: Bến Tre Chun ngành: Cơng nghệ hóa học Mã số: 605275 I TÊN ĐỀ TÀI: “Tổng hợp forsterite phương pháp sol-gel ứng dụng làm vật liệu y sinh” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng hợp forsterite phƣơng pháp sol-gel Nghiên cứu điều kiện, yếu tố ảnh hƣởng đến trình tổng hợp forsterite phƣơng pháp sol-gel Khảo sát số đặc tính vật liệu tổng hợp đƣợc Đánh giá khả tƣơng thích sinh học khảo sát hình thành apatite bề mặt forsterite nghiên cứu vitro (ngâm dung dịch SBF) III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/06/2013 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS LÊ MINH VIỄN : TS Lê Minh Viễn TP HCM, ngày … tháng … năm 2013 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS HUỲNH KỲ PHƢƠNG HẠ TRƯỞNG KHOA PGS.TS PHAN THANH SƠN NAM LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết nghiên cứu nêu luận văn thực hiện, ý tưởng tham khảo kết trích dẫn từ cơng trình khác nêu rõ luận văn TP HCM, tháng năm 2013 Đào Thị Phương Thảo LỜI CÁM ƠN Luận văn cao học bước ngoặc để mở đường tương lai Trong khoảng thời gian này, tơi gặp khơng khó khăn thử thách để đạt mục tiêu Có lúc tơi gặp khó khăn, tơi tưởng chừng khơng thể vượt qua Nhưng hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy hướng dẫn, TS Lê Minh Viễn, hỗ trợ tồn thể thầy mơn Kỹ thuật Hóa Vơ Cơ - Khoa Kỹ thuật Hóa Học trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ủng hộ tinh thần giúp đỡ gia đình bạn bè động lực lớn giúp tơi vượt qua khó khăn hồn thành luận văn tốt nghiệp thời hạn Tôi chân thành cám ơn TS Lê Minh Viễn tận tình giúp đỡ hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn quý thầy cô mơn Kỹ Thuật Hóa Vơ Cơ q thầy phịng thí nghiệm Kỹ Thuật Hóa Vơ Cơ tạo điều kiện suốt trình thực luận văn để tơi hồn thành tốt luận văn Con xin chân thành cám ơn tình yêu cha mẹ dành cho con, cha mẹ em chỗ dựa vững chắc, nguồn động viên to lớn, tiếp thêm sức mạnh cho có động lực tiếp lên đường phía trước Cuối cùng, xin cám ơn động viên giúp đỡ bạn bè tơi suốt q trình làm luận văn i TÓM TẮT Forsterite, Mg2SiO4, vật liệu đầy hứa hẹn cho ứng dụng làm vật liệu y sinh Gần đây, nghiên cứu phát forsterite có độ bền uốn bền chống gãy tốt so với hydroxyapatie Trong nghiên cứu này, bột nano tinh thể forsterite tổng hợp phương pháp sol-gel từ magnesium nitrate TetraEthOxySilane (TEOS) Các yếu tố ảnh hưởng đến tổng hợp forsterite nghiên cứu phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) Nhiệt độ bắt đầu hình thành tinh thể forsterite 8000C Kích thước tinh thể bột forsterite 10000C tính theo cơng thức Scherrer’s 26÷39 nm Hình thái kích thước hạt bột forsterite tổng hợp đo kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kết kích thước hạt bột forsterite nung 10000C 43-50 nm 12000C 150-200 nm Sự kết khối tính vật liệu nghiên cứu Độ kết khối đạt 95, 906% 10000C, 96,937% 11000C 98,367% 12000C Bên cạnh đó, hệ số giãn nở nhiệt đạt TEC  2,9×10-7/0C (30-10500C) Khả tương thích sinh học forsterite bột forsterrite viên nung kết khối ngâm dung dịch sinh lý SBF khảo sát hình thành apatite bề mặt mẫu Trong suốt trình ngâm dung dịch SBF, tốc độ hịa tan forsterite bột forsterite viên xảy nhanh apatite hình thành bề mặt mẫu sau ngày ngâm Kết thực nghiệm forsterite tổng hợp dùng để nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu y sinh ii ABSTRACT Forsterite, Mg2SiO4, is a promising materials due to its good biocompatibility Recently, It was found that forsterite has a better bending strength and fracture toughness than those of hydroxyapatite In this study, nanocrystalline forsterite powder was synthesized according to the sol-gel method using magnesium nitrate and TetraEthOxySilane (TEOS) as precursors The synthesic conditions have been studied by using X-ray diffraction (XRD) technique The initial crystallization temperature of forsterite was around 800oC while fully crystallized forsterite was obtained at 1000oC The crystallite size of calcined forsterite powder at 1000oC according to Scherrer’s formula was in the range of 26÷39 nm Morphology and particle size of synthesized forsterite powder were studied by scanning electron microscopy (SEM) technique Their sinterability and mechanical properties were then studied Biocompatibility of the nano forsterite powders and sintered tablet forsterites was also evaluated in the simulated body fluid (SBF) and apatite formation on the surface of the immersed forsterite nanopowders and sintered tablet forsterites was investigated Results showed the particle size of calcined forsterite at 10000C of 43-50 nm and at 1200oC of 150-200 nm Their sinterability were achived 95,906% at 10000C, 96,937% at 11000C and 98,367% at 12000C In addition, thermal epansion coefficent of forsterite achived TEC  2,9×10-7/0C (30-10500C) During immersion in SBF, the dissolution rate of the forsterite nanopowder and sintered tablet forsterites was occured faster than and apatite was formed after soaking for days Our study indicated that nanopowder forsterite can be used for biomaterial applications iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT FS: Forsterite SBF:Simulated Body Fluid – Dung dịch sinh học nhân tạo SEM: Scanning Electron Microscopy – Kỹ thuật chụp hiển vi điện tử XRD: X-ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X FT-IR: Fourier Transform Infra-Red-Phổ hồng ngoại TGA: Thermogravimetry Analysis – Phân tích nhiệt khối lượng DTG: Derivative Thermogravimetry – Đạo hàm phân tích nhiệt khối lượng DSC: Differential Scanning Calorimetry-Phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai HA: Hydroxyapatite EDS: Energy Dispersive Spectrometer – Phổ lượng phân tán XRF: X-ray fluorescence – Nhiễu xạ tia X huỳnh quang TEC: Thermal expansion coefficient – Hệ số giản nở nhiệt TP.HCM: Thành phố Hồ Chí Minh PLA-PGA: Poly(lactic acid)-poly(glyco1ic acid) TCP: Tricalcium phosphate KQBL: Kết bàn luận North America: US, Canada, Mexico (NAFTA region) Asia Pacific: Countries of Asia, Australia, New Zealand-Các nước châu Á, Úc, New Zealand Asia Pacific*: Asia Pacific excluding Japan- Các nước châu Á, Úc, New Zealand (ngoại trừ Nhật Bản) ROW: Rest of the world-Các nước lại iv MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 Tổng quan vật liệu y sinh 1 Phân loại vật liệu y sinh 1.2 Vật liệu y sinh kim loại 1.3 Composite 1.4 Gốm sứ y sinh 1.4.1 Phân loại vật liệu gốm sứ y sinh 1.4.2 Ceramic thụ động sinh học 1.4.3 Gốm sứ y sinh tái hấp thụ 10 1.4.4 Ceramic hoạt tính sinh học 10 Tổng quan forsterite phương pháp điều chế 13 2.1 Đại cương forsterite 13 2.1.1 Thành phần 13 2.1.2 Cấu trúc 13 2.1.3 Tính chất 14 2.1.4 Ứng dụng forsterite vật liệu y sinh 15 2.2 Các phương pháp tổng hợp forsterite 15 2.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn 15 2.2.2 Phương pháp sol-gel 17 Hoạt tính sinh học FS 19 Đặt vấn đề 21 Tính cấp thiết đề tài 23 Mục tiêu đề tài 24 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 25 Nội dung nghiên cứu 25 1 Điều chế FS 25 1.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến độ tinh khiết sản phẩm 27 1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ mol Mg:Si 27 1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ mol HNO3:Si 27 1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước 28 1.2.4 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ 29 1.2.5 Khảo sát theo thời gian nung 30 1.3 Nghiên cứu kết khối sản phẩm (khảo sát độ kết khối) 31 1.4 Khảo sát hình thành apatite Mg2SiO4 dung dịch SBF 33 1.4.1 Cách pha dung dịch sinh lý SBF* 33 1.4.2 Phương pháp đánh giá vitro (ngâm dung dịch SBF) 34 Các phương pháp phân tích 35 2.1 Nghiên cứu cấu trúc tinh thể dựa vào kết phân tích Xray phần mềm Unitcell® 35 2.2 Phương pháp phân tích nhiệt TGA-DSC 37 2.3 Kính hiển vi nhiệt 38 v Phụ lục 1.2.8: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 8,19:1,0; VH2O = 300 ml, nung 12000C h Phụ lục 1.2.9: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 9,29:1,0; VH2O = 300 ml, nung 12000C h Phụ lục 1.3: Ảnh hưởng hàm lượng nước Phụ lục 1.3.1: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 150 ml, nung 12000C h Phụ lục 1.3.2: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 300 ml, nung 12000C h Phụ lục 1.3.3: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 12000C h Phụ lục 1.4: Ảnh huởng nhiệt độ nung Phụ lục 1.4.1: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 8000C h Phụ lục 1.4.2: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 10000C h Phụ lục 1.4.3: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 12000C h Phụ lục 1.4.4: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 13000C h Phụ lục 1.5: Ảnh hưởng thời gian Phụ lục 1.5.1: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 10000C h Phụ lục 1.5.2: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 10000C h Phụ lục 1.5.3: Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 10000C h Phụ lục 2: Khảo sát tính chất sản phẩm Phụ lục 2.1: FTIR-Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml, nung 12000C h Phụ lục 2.2: Hình phân tích kính hiển vi nhiệt-Mẫu tổng hợp điều kiện tỷ lệ mol Mg: Si = 2,0:1,0; HNO3:Si = 6,19:1,0; VH2O = 450 ml Phụ lục 3: Đánh giá độ kết khối vật liệu Phụ lục 2.3.1: Kết đo độ cứng Vicker nhiệt độ 1100, 1150, 12000C Phụ lục 2.3.2: kết đo hệ số giản nở nhiệt từ 30-11000C Phụ lục 3: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học Phụ lục 3.1: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forterite bột Phụ lục 3.1.1: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite bột ngày Phụ lục 3.1.2: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite bột ngày Phụ lục 3.1.3: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite bột 14 ngày Phụ lục 3.1.4: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite bột 21 ngày Phụ lục 3.1.5: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite bột 28 ngày Phụ lục 3.2: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite viên Phụ lục 3.2.1: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite viên ngày Phụ lục 3.2.2: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite viên 14 ngày Phụ lục 3.2.3: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite viên 21 ngày Phụ lục 3.2.5: Kết kiểm tra FTIR mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite viên 28 ngày Phụ lục 3.3: Kết phân tích XRD mẫu kiểm tra hoạt tính sinh học forsterite viên (0 28 ngày) Phụ lục 3.3.1: ngày Phụ lục 3.3.2: 28 ngày PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Đào Thị Phương Thảo Ngày, tháng, năm sinh: 08-10-1985 Nơi sinh: Cẩm Sơn - Mỏ Cày Nam - Bến Tre Địa liên lạc: 728/7/4, khu phố 1, phường Bình Hưng Hịa, đường Lê Trọng Tấn, quận Bình Tân, Tp.HCM DĐ: 0982689116 Q TRÌNH ĐÀO TẠO 2004-2009: Học trường đại học Cần Thơ 2011-đến nay: Là học viên cao học trường đại học Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2009-2011: Là nhân viên phịng kiểm tra chất lượng cơng ty TNHH thức ăn gia súc JAPFA COMFEED Long An 2011-5/2012: Là nhân viên kinh doanh công ty cổ phần bánh kẹo Phạm Nguyên ... kết hợp vật liệu polymer tự nhiên tổng hợp làm tăng cường khả tương tác tế bào Vật liệu composite vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau, tạo thành vật liệu có tính hẳn vật liệu. .. THIỆU Tổng quan vật liệu y sinh Vật liệu y sinh có nhiều ứng dụng lĩnh vực như: y học nha khoa, sinh học, cơng nghệ sinh học, di truyền học người hóa học, kỹ thuật Đặc biệt vật liệu ứng dụng. .. 2.1.4 Ứng dụng forsterite vật liệu y sinh Hầu hết nghiên cứu trước đ? ?y, forsterite ứng dụng cho vật liệu lazer quang học [18-19] Các nghiên cứu tổng hợp forsterite ứng dụng cho mục đích sinh học