Bột HA có peak đặc trưng (300), (112), (211),… tương ứng với các vị
trí 2θ là 33.3o, 32.2o, 31.8o,… khoáng TCP có peak đặc trưng ở vị trí 2θ
trong giản đồ tia X tương ứng là khoảng 29o. Hàm lượng các pha TCP,
CaHPO4 trong bột HA được đánh giá bằng phương pháp XRD với góc
quay 2θ = 24o ÷ 38°. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X của bột HA (hình 2.2), hàm
lượng các pha có trong bột được tính từ diện tích của các peak đặc trưng cho các pha như sau [17].
Hình 2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hỗn hợp HA và TCP
Sa %HA= .100 Sa+Sp Sp %TCP= .100 Sa+Sp
Trong đó: Sa là diện tích của peak đặc trưng cho tinh thể HA. Sp là diện tích của peak đặc trưng cho tinh thể TCP. 2.4.2 Tỷ số mole Ca/P
Tỷ số mole Ca/P của sản phẩm được xác định thông qua phương pháp phân tích EDS. Đây là phương pháp thông qua giản đồ pha của HA để xác định được hàm lượng %Ca và %P.
P Ca
%Ca.M Ca/P=
Trong đó: - %Ca là hàm lượng phần trăm canxi có trong mẫu.
- %P là hàm lượng phần trăm photpho có trong mẫu.
- MP và MCa là trọng lượng mole của Ca và P.
2.4.3 Diện tích bề mặt riêng
Diện tích bề mặt riêng của các loại bột HA có hàm lượng tinh thể khác nhau được xác định bằng phương pháp hấp phụ nitơ lỏng (phương pháp BET) trên máy COUNTER – 3001 để đánh giá hoạt tính của các loại bột [3].
Bên cạnh đó, trong quá trình thực nghiệm ta cần quan sát ảnh SEM, giản đồ nhiễu xạ tia X và giản đồ quang phổ hồng ngoại FTIR. Rút ra nhận xét và đánh giá chất lượng của các mẫu sau quá trình tổng hợp.
2.5 Quy trình thực nghiệm tổng hợp bột HA
2.5.1 Cơ sở lý thuyết tổng hợp HA
Các nghiên cứu tổng hợp bột HA được tiến hành theo sơ đồ công nghệ được trình bày trên hình 2.3.
Bột HA được tổng hợp trên cơ sở phản ứng trung hòa axit - bazơ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
Ca10(PO4)6(OH) là hợp chất khá bền trong hệ cân bằng CaO - P2O5 -
H2O, hình thành và tồn tại ở vùng nồng độ CaO, P2O5 thấp [18]. Để tổng hợp
bột HA có độ tinh khiết cao, phản ứng này cần được thực hiện với dung dịch loãng. Đây là phản ứng dị thể (rắn - lỏng) do đó quá trình phản ứng cần
khuấy mạnh để tránh axit cục bộ dễ tạo ra những hợp chất khác như CaHPO4,
Ca3(PO4)2. Mặt khác, tốc độ khuấy cao tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết
Các thí nghiệm nghiên cứu được tiến hành ở qui mô 50g Ca(OH)2, cân bằng vật liệu được tính toán theo phản ứng trên.
Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ nghiên cứu tổng hợp bột HA
• Mô tả thí nghiệm:
Hoà 50g Ca(OH)2 (96%) được pha thành huyền phù trong 500ml (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nước cất (ta được dung dịch có nồng độ 1.30M) rồi được đổ vào bình cầu
2000ml và khuấy ở tốc độ 300v/p. Huyền phù trong bình phản ứng được
khuấy và gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết.
H2O H3PO4
Ca(OH)2 H2O
NH4OH (5%) Khuấy và gia nhiệt
(Thiết bị phản ứng) Sấy lạnh Kết tủa Hóa già Lọc và rửa (Máy ly tâm) Sản phẩm
45,9g H3PO4(85%) được pha loãng trong 500ml nước cất (ta được dung dịch có nồng độ 0.78M) rồi được đổ vào bình nhỏ giọt trên bình cầu.
Khi bình phản ứng đạt đến nhiệt độ cần thiết dung dịch axit được
nhỏ vào bình phản ứng ở tốc độ qui định cho đến khi pH của hỗn hợp phản
ứng giảm xuống đến 11 ÷ 12 khi đó dung dịch NH4OH 5% từ một bình nhỏ
giọt khác được nhỏ vào bình phản ứng cùng tốc độ với dung dịch axit. pH
trong bình ở giai đoạn này được kiểm tra thường xuyên bằng giấy đo pH. Tốc
độ nhỏ giọt NH4OH có thể được điều chỉnh để duy trì pH trong bình ở
khoảng 11 ÷ 12. Kết tủa Ca10(PO4)6(OH)2 được hình thành.
Kết thúc phản ứng việc gia nhiệt và khuấy trộn vẫn được duy trì để tiếp tục hoá già sản phẩm theo thời gian đã định. Sản phẩm được để lắng yên trong 24 giờ rồi được rửa bằng nước cất trên máy ly tâm lắng cho đến pH = 7.
Cuối cùng sản phẩm được lắng gạn nước, sau lắng gạn sản phẩm
được sấy khô bằng máy sấy lạnh ở nhiệt độ - 40°C trong 48 giờ.
2.5.2 Các phương pháp phân tích
a) Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
HA được phân tích nhiễu xạ tia X trên máy XRD D8/Advance,
Bruker ở điều kiện như sau: bức xạ Cu-α bước sóng =1.5406 A0, góc quét 2θ
= 20÷60°, tốc độ quét 0,020/ giây [1].
b) Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR)
HA được phân tích quang phổ hồng ngoại FTIR trên máy Equinox 55 Bruker, Đức. Các mẫu được nén ép thành viên với KBr theo tỉ lệ 1:400.
c) Phương pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình thái và kích thước của HA được đo bằng máy FESEM (JSM- 635F, JEOL) [1].
2.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng tinh thể
Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình tổng hợp bột HA nhằm đánh giá khả năng kết tinh và thành phần hóa học của
sản phẩm. Các thí nghiệm được tiến hành ở các khoảng nhiệt độ 25 ÷ 95°C, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
với bước nhảy là 10oC, tốc độ khuấy 300v/p, pH ~ 11÷12, tốc độ nhỏ giọt
dung dịch axit H3PO4 được khống chế ở 3 ml/phút. Kết quả nghiên cứu được
đánh giá bằng các chỉ tiêu: hàm lượng tinh thể và tỷ số Ca/P của sản phẩm. 2.5.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nhỏ giọt đến độ tinh khiết của sản phẩm
Các thí nghiệm được tiến hành ở tốc độ khuấy 300v/p, pH ~ 11÷12 để đánh giá tốc độ kết tủa hợp lý bột HA trong điều kiện đã nêu trên. Khi tốc độ kết tủa lớn dễ sinh ra hiện tượng axit cục bộ tại điểm phản ứng (pH thấp),
đồng thời tạo ra các hợp chất không mong muốn như CaHPO4, Ca3(PO4)2, có
hại cho quá trình thiêu kết gốm sau này. Các thí nghiệm được tiến hành ở các
tốc độ nhỏ giọt 2ml, 3ml, 4ml và 5ml dung dịch H3PO4/phút ở nhiệt độ tối ưu
đã khảo sát ở trên. Kết quả nghiên cứu được đánh giá bằng các chỉ tiêu: tỷ số Ca/P và thành phần pha của sản phẩm.
2.5.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH kết thúc phản ứng
Để nhận được bột HA có độ tinh khiết cao (tỷ số Ca/P ≈ 1.667), về
nguyên tắc sản phẩm Ca10(PO4)6(OH)2phải được trung hòa giá trị pH = 7. Tuy
nhiên, ở giai đoạn cuối cùng của phản ứng trung hòa rất khó điều khiển pH môi trường phản ứng. Khi giá trị pH giảm xuống dưới giá trị 9 thường sinh ra
các tạp chất như CaHPO4, Ca3(PO4)2 làm giảm tỷ số Ca/P (<1.667) của sản phẩm [19].
Để khắc phục, các thí nghiệm được tiến hành tại pH khoảng 11 ÷ 12
và sử dụng dung dịch NH4OH 5% để duy trì pH. Dung dịch NH4OH này
được nhỏ giọt đồng thời với dung dịch H3PO4 ở giai đoạn cuối của quá trình
khi pH môi trường giảm xuống giá trị pH < 11. Kết thúc quá trình sản phẩm
được rửa bằng nước cất để khử hết NH4OH và các muối amoni cho đến pH = 7. Kết quả thí nghiệm được đánh giá bằng tỷ số Ca/P.
2.5.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hóa già
Để tổng hợp các loại bột HA có hàm lượng tinh thể >70%, bột HA sau khi kết tủa cần có giai đoạn hóa già để phát triển và ổn định cấu trúc tinh thể. Thời gian hóa già của bột HA là khoảng thời gian mà sản phẩm kết tủa được duy trì trong điều kiện phản ứng (ở khoảng nhiệt độ tối ưu đã khảo sát ở trên, tốc độ khuấy 300v/p, pH ~ 11÷12) ngay sau khi giai đoạn kết tủa kết thúc. Các thí nghiệm được tiến hành trong khoảng thời gian 2 ÷ 44h, với bước nhảy là 6h. Thông số này ảnh hưởng đến độ kết tinh của bột HA ở các điều kiện khác nhau [3].
KẾT LUẬN
Hướng nghiên cứu đã chọn là tổng hợp bột HA với hàm lượng theo yêu cầu với đối tượng ứng dụng >70% là vật liệu y sinh có tính 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 thế đào thải, đáp ứng được nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thương do chấn thương, bệnh tật hoặc lão hóa trong thời gian sắp tới và cả trong tương lai ở Việt Nam.
Ở Việt Nam chúng ta hiện nay việc tổng hợp bột HA chỉ được diễn ra được trong phòng thí nghiệm ở các trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, Hà Nội, các viện Năng lượng Xạ hiếm. Vì điều kiện trang thiết bị kỹ thuật ở Việt Nam còn nhiều hạn chế, điều kiện kinh tế còn hạn hẹp, chất lượng sản phẩm có độ tinh khiết còn chưa cao. Nếu chúng ta muốn sản xuất bột HA hàng loạt thì phải đầu tư trang thiết bị kỹ thuật hiện đại hơn, đội ngũ cán bộ phải có trình độ chuyên môn cao.
Trong đồ án này, các phương pháp hóa lý đã được sử dụng như nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR), phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), để khảo sát chất lượng sản phẩm HA trong quá trình tách. Dựa vào giản đồ XRD đã xác định được độ tinh thể của sản phẩm HA, tính toán theo phương pháp phân giải peak.
• Kiến nghị
Trong quá trình tổng hợp bột HA nên tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố sau: nhiệt độ, tỷ số Ca/P, tốc độ cấp (độ nhỏ giọt) acid, dung môi, tốc độ khuấy trộn, tốc độ kết tủa, thời gian hóa già.
Tiếp tục phát triển nghiên cứu tổng hợp bột HA có hàm lượng >90% theo yêu cầu với đối tượng ứng dụng có độ tinh khiết cao hơn.
• Nhận xét
Hiện nay, nước ta ngày càng trên đà phát triển về mọi lĩnh vực. Đặc biệt, khoa học công nghệ ngày càng được cải tiến. Trong lĩnh vực y học, công nghệ cấy ghép xương, răng ngày một được phát triển, vật liệu y sinh theo đó không ngừng phát triển. Nhưng trong thời điểm hiện tại, vật liệu này được sản xuất với độ tinh khiết chưa cao. Hứa hẹn trong tương lai không xa, chúng ta sẽ đạt sản xuất được vật liệu y sinh với độ tinh khiết cao và có chất lượng quốc tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Tài liệu tiếng việt
[1] Vũ Thị Dịu (2009), “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hydroxyapatite kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit”, Luận văn thạc sĩ khoa học, Viện Hóa học - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam.
[2] Nguyễn Văn Hưởng (2011), “Khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật”, Luận văn thạc sỹ hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
[3] Đỗ Ngọc Liên (2005), “Nghiên cứu qui trình tổng hợp bột và chế thử gốm xốp hydroxyapatit”, Đề tài khoa học công nghệ cấp bộ, Viện Công nghệ Xạ hiếm- Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam.
[4] Trần Thanh Trước, Tạ Văn Tấn, Lê Thị Mỹ Hoa (2012), “ Nghiên cứu tổng hợp bột nano biphasic calcium phosphate bằng phương pháp microwave”, Đồ án, Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm –TP. Hồ Chí Minh.
• Tài liệu tiếng Anh
[5] Bagot D`Arc, M.; Daculsi, G. (2003), “Micro macroporous biphasic ceramics and fibrin sealant as a moldable material for bone reconstruction in chronic otitis media surgery: A 15 years experience”, J. Mater. Sci. Mater. Med., 229–233.
[6] Bahman Mirhadi, Behdikhani Mehdikhani, and Nayereh Askari (2011), “Synthesis of nano-sized P-tricalcium phosphate via wet precipitation”,
Processing and Application of Ceramics, 193-198.
“Current state of the art of biphasic calciumphosphate bioceramics”, Journal of Material Science, 195-200.
[8] Krylova E.A., Ivanov A.A., Krylov S.E., Plashchina I.G., Nefedov P.V. (2004), “Hydroxyapatite-Alginate Sructure as Living Cells Supporting System”, Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS, Russia.
[9] Laurence D., Chow C., Bernard J. Hockey (2004), “Properties of Nanostructured Hydroxyapatite Prepared by a Spray Drying Technique”, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., p.543-551.
[10] Murugan R., Ramakrishna S. (2007), “Development of Cell-Responsive Nanophase Hydroxyapatite for Tissue Engineering”, American Journal of Biochemistry and Biotechnology, p.118-124.
[11] U. Vijayalakshmi anh S. Rajeswari (2006), “ Preparation and Characterization of Microcrystalline Hydroxyapatite Using Sol Gel Method”, Trends Biomater. Artif. Organs, p.57-62.
[12] Milenko Markovic, Bruce o. Fowler, Ming s. Tung (2004),
Preparation and Comprehensive Characterization of a Calcium Hydroxy apatite Reference Materials, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., Vol.9, p.552- 568.
[13] http://en.wikipedia.org/wiki/Hvdroxvlapatite.
[14] Sanchez-Pastenesa E., Reyes-Gasgab, J. (2005), Determination of the Point and Space Groups for Hydroxyapatite by Computer Simulation of CBED Electron Diffraction Patterns, Revista Mexicana de Fisica, Vol.51, No.5, p.525-529.
[15] Tsuda H., Arends J. (1994), Orientational Micro-Raman Spectroscopy on Hydroxyapatite Single Crystals and Human Enamel Crystallites, J. Dent. Res., Vol.73, No. 11, p. 1703-1710.
Bioabsorbable Containment and Reinforcement as Bone Graft Substitute,
Academic Dissertation, University of Helsinki.
[17] K satou; “Rheological Characteristics of slurry coutrolling the
microstructure.
and the compressive strength behavior of biomeimetic hydroxy apatite”., Materials Research Soc. Vol. 16 No 1 (2001). p.164-165.
[18] F.K Cameron “Inoganic and Theoretical Chemistry”, p.866; 904.
[19]A.Tampieri “ Toward Tissue Bio- Engineering”. Mater.Chem. and Physics.
Vol.64- p.808.
[20] T.G.Nieh “Synthesis and Characterization of porous Hydroxyapatite and
Hydroxyapatite coatings”. Lawren Livermore Lab. - USA (2000), p.4-13.
[21] Neih T.G., Choi B.W., Jankowski A.F. (2001), Minerals, Metal and (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Materials, Society Annual Meeting and Exhibition, New Orlean, L.A.
[22] Memorandum of Understanding Bettween The National Institute of Standarts and Technology and The Food and Drug Administration, November 10, 1993.