Hai oligoalginat sau khi tách sạch được sử dụng để tổng hợp các composit HA/olig (kí hiệu HA1 và HA2) theo phương pháp kết tủa trực tiếp với tỉ lệ thành phần HA/olig bằng 3/7.
3.5.3.1. Đặc trưng XRD
Giản đồ XRD của các mẫu HA/olig được đưa ra trên Hình 3.65 và các Phụ lục 58, 59. M1 M2 M4 M5 M3 ppm
Hình 3.65. Giản đồ XRD của các mẫu HA/olig
Cả hai mẫu đều có các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho pha tinh thể HA, tuy nhiên các vạch mở rộng và chồng lấp lên nhau. Mặt khác, ở mẫu HA2 còn có thể quan sát rõ các vạch nhiễu xạ đặc trưng pha HA, còn mẫu HA1 cho thấy, các vạch không tách biệt mà mở rộng tạo nên các vùng nhiễu xạ. Điều này chứng tỏ, tinh thể HA tạo thành khi có mặt oligome A1 có kích thước và độ tinh thể thấp hơn so với oligome A2.
3.5.3.2. Đặc trưng FT-IR
Phổ FT-IR của các composit HA/olig được trình bày trên Hình 3.66.
Hình 3.66. Phổ FT-IR của các mẫu HA/oligoalginat
HA2
Trên phổ FT-IR của các mẫu xuất hiện các dải đặc trưng cho cấu trúc của các nhóm chức trong phân tử alginat. Tuy nhiên, khi so sánh hai mẫu composit, có sự khác biệt về hình dạng và số sóng một số dải. Mẫu HA1 xuất hiện dải ở 1320 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C-O và C-C, tương ứng với oligome A1 giàu các khối GG, trong khi đó mẫu HA2 không có dải này. Ngược lại, dải tại 873 cm-1 đặc trưng cho dao động của khối MM xuất hiện sắc nét ở mẫu HA2, còn ở mẫu HA1 chỉ là một vai phổ. Hơn nữa, các dải hấp thụ ở vị trí 1618 và 1419 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị đối xứng và không đối xứng khác nhau về cường độ ở hai mẫu. Ở mẫu HA2, dải tại 1418 cm-1 có cường độ lớn hơn so với dải tại 1618 cm-1, xu hướng ngược lại ở mẫu HA1. Sự thay đổi trong phổ hồng ngoại của hai mẫu chứng tỏ tương tác giữa oligome A1 và A2 với HA là có sự khác biệt. Tương tác giữa HA và alginat đã được xác nhận là do các nhóm cacboxyl tương tác tĩnh điện với ion canxi [157, 159, 160]. Tuy nhiên, do cấu trúc gấp nếp của các khối GG mới tạo thành khoảng không gian để các ion canxi đi vào, tạo ra phức –OOC-Ca- COO- dạng “hộp trứng” như đã trình bày ở Hình 1.9, còn với các khối MM thì chỉ là tương tác tĩnh điện [108, 143, 183]. Vì thế, tương tác giữa HA với oligome A1 (giàu các khối GG) sẽ khác với oligome A2 (giàu các khối MM) trong các composit HA/olig.
3.5.3.3. Đặc trưng SEM và TEM
Ảnh SEM của các mẫu HA/olig được trình bày trên Hình 3.67.
Hình 3.67. Ảnh SEM của các mẫu HA/oligoalginat
Mẫu HA2 cho thấy, hạt HA hình que, được phân bố và bao phủ hoàn toàn
bên trong khối oligoalginat. Không quan sát thấy đặc trưng tinh thể của hạt HA trong mẫu HA1, chứng tỏ pha vô cơ HA đã kết hợp hoàn toàn với oligome trong composit tạo nên vật liệu lai có cấu trúc đồng nhất. Kết quả XRD ở trên cũng chỉ ra pha HA trong mẫu HA1 có độ tinh thể thấp. Điều này, có thể là do việc tạo ra cấu trúc phức dạng “hộp trứng” giữa ion canxi với oligome A1 giàu các khối GG, dẫn đến sự tạo thành các mầm tinh thể nano HA rất nhỏ và bị “giam hãm” trong khoảng không gian của “hộp trứng” nên không tiếp tục lớn lên [182, 183].
Ảnh TEM (Hình 3.68) cho biết, mẫu HA1 có cấu trúc hoàn toàn đồng nhất, không quan sát thấy hạt HA và nền oligoalginat riêng biệt, phù hợp với ảnh SEM ở trên.
Hình 3.68. Ảnh TEM của các mẫu HA/oligoalginat
Ở mẫu HA2, các tinh thể HA hình kim, dài khoảng 20-40 nm, đường kính 5- 7 nm, phân tán đồng đều trên nền oligoalginat. Không có hiện tượng kết tập giữa các hạt xảy ra. Tương tác giữa HA và oligome giàu khối MM (A2), chủ yếu là tương tác tĩnh điện giữa các nhóm -COO mang điện âm và ion canxi mang điện dương. Các nhóm –COO trên phân tử alginat sẽ là vị trí tạo mầm và định hướng sự phát triển tinh thể HA theo mạch dài polyme [183]. Vì thế, trong mẫu HA2, tinh thể HA có dạng hình kim dài.
Nhận xét:
Như vậy, bằng việc thay đổi hàm lượng và cấu trúc alginat có thể điều chỉnh cấu trúc, hình thái học, sự phân tán và tương tác giữa tinh thể HA với pha hữu cơ trong composit. Các composit HA/alg và HA/olig tạo thành bằng phương pháp kết
tương tác với polyme tương tự như HA sinh học.
Cơ chế tạo thành composit HA/alginat theo phương pháp kết tủa trực tiếp đã được mô tả ở Mục 1.3.1. Ban đầu, các khối GG trong phân tử alginat tạo phức, dạng hộp trứng với ion canxi, tiếp đến các ion Ca2+, OH-, PO43- trong dung dịch khuếch tán đến các vị trí đã tạo phức (-COO-Ca-COO-) trên mạch alginat hình thành nên mầm tinh thể HA. Do đó, các tinh thể nano HA được định hướng kết tủa và phát triển trên các vị trí xác định dọc theo mạch phân tử alginat. Kích thước hạt, độ tinh thể, sự phân tán của HA được điều chỉnh bởi mạch phân tử alginat.
Điểm khác nhau giữa các hệ composit chứa HA và alginat, oligoalginat và các dẫn xuất từ tinh bột chính là tương tác giữa HA và polyme. Các composit chứa HA và dẫn xuất từ tinh bột tương tác chủ yếu qua nguyên tử canxi và nhóm –OH. Còn trong composit HA/alginat là tương tác giữa nguyên tử canxi và nhóm – COOH. Với các điều kiện tổng hợp đã đưa ra ở mỗi hệ, các composit HA/polyme đều chứa HA đơn pha, kích thước nanomet. Ở vật liệu composit HA/tinh bột sắn, khả năng phân tán HA trên nền tinh bột sắn chưa cao, vẫn còn hiện tượng kết tập. Với composit HA/tinh bột, hạt HA hình trụ phân tán khá tốt trên nền tinh bột. Các composit HA/maltodextrin, HA/alginat và HA/oligoalginat chứa HA có kích thước nhỏ nhất, phân tán đồng đều và tương tác tốt với polyme. Riêng với MD25 và oligoalginat giàu khối G đã tạo ra vật liệu lai vô cơ-hữu cơ HA/polyme có những ứng dụng đặc biệt trong y sinh học [10, 48, 143, 175, 183].
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận
1. Đã thành công trong việc tổng hợp nano HA bằng phương pháp kết tủa ở vùng nhiệt độ thấp (0oC và dưới 0oC), sản phẩm bột HA thu được đều đơn pha, kích thước nanomet và độ tinh thể thấp. Kích thước hạt giảm xuống theo nhiệt độ và hiện tượng kết tập giữa các hạt xảy ra mạnh.
2. Đã tổng hợp thành công và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình chế tạo các nanocomposit HA/TB theo hai phương pháp: phương pháp trộn và phương pháp kết tủa trực tiếp. Tác dụng làm giảm kích thước, độ tinh thể, điều chỉnh hình thái học và phân tán HA của tinh bột trong composit chế tạo bằng phương pháp kết tủa trực tiếp là vượt trội hơn so với phương pháp trộn. So với HA được chế tạo ở vùng nhiệt độ thấp khi không có mặt tinh bột, HA trong các composit có kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp hơn nhiều, phân tán đồng đều và tương tác tốt với tinh bột.
3. Đã tổng hợp thành công các nanocomposit HA/TBS, HA/MD với DE 12, 16, 20, 25 bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và xác định được mối quan hệ giữa DE của MD đến các đặc trưng của sản phẩm. DE càng cao, kích thước và độ tinh thể của HA trong composit càng nhỏ. Riêng đối với nanocomposit HA/MD với DE 25, đã chế tạo được vật liệu lai vô cơ-hữu cơ ở cấp độ phân tử với cấu trúc đồng nhất chứa HA tương tự HA sinh học. Đây là điểm mới của luận án.
4. Đã tổng hợp thành công các nanocomposit HA/alginat và HA/oligoalginat theo phương pháp kết tủa trực tiếp và xác định được mối quan hệ giữa cấu trúc alginat đến các đặc trưng của composit. Từ những kết quả đặc trưng như XRD, FT- IR, SEM, TEM và TGA-DTA đã khẳng định thành công trong việc tạo ra hệ vật liệu lai vô cơ-hữu cơ. Đây cũng là điểm mới của luận án.
5. Từ kết quả nghiên cứu hai hệ nanocomposit HA/polyme với polyme từ tinh bột và từ alginat, đã phân biệt được tương tác giữa HA và các dẫn xuất của tinh bột (tương tác giữa nguyên tử canxi và nhóm –OH) và alginat (tương tác giữa nguyên tử canxi và nhóm–COOH ở dạng phức “hộp trứng”). Đây cũng chính là điểm mới của luận án.
nanocomposit HA/polyme được điều chỉnh về cấu trúc và tính chất bằng cách thay đổi phương pháp, điều kiện phản ứng và cấu trúc polyme phù hợp cho những ứng dụng y sinh học khác nhau.
Kiến nghị
Cần có các nghiên cứu sâu hơn để xác định các ứng dụng cụ thể của 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 và đánh giá tính tương thích sinh học qua các phép thử in vitro, in vivo. Xác định tính chất cơ lý, kích thước lỗ xốp, sự phân bố của lỗ xốp và tốc độ phân hủy sinh học phù hợp cho vật liệu cấy ghép trong phẫu thuật chỉnh hình. Đối với composit mang và nhả chậm thuốc, cần đánh giá khả năng mang và tốc độ nhả thuốc phù hợp trong môi trường sinh lý cơ thể.
Với định hướng sử dụng nanocomposit HA/polyme dạng bột làm thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi, nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi sẽ là đánh giá tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học và khả năng hấp thu của cơ thể. Ngoài ra cần kiểm tra các chỉ tiêu về độ an toàn, độ ổn định, độ nhiễm khuẩn và đặc tính dược động học của vật liệu.
Đây là loại vật liệu được sử dụng trực tiếp cho cơ thể người, do vậy cần có sự tham gia của các nhà nghiên cứu thuộc các lĩnh vực sinh học, y học và dược học.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Tổng hợp bột hydroxyapatit bằng phương pháp kết tủa ở vùng nhiệt độ thấp, Tạp chí Hóa học, 2012, 50(5B), 250-253.
2. Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Ảnh hưởng
của nhiệt độ phản ứng đến các đặc trưng của compozit hydroxyapatit/tinh bột tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2013, 51(2A),
125-129.
3. 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.
4. Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến một số đặc trưng của compozit hydroxyapatit/maltodextrin tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2013, 51(3AB), 245-248.
5. Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Ảnh hưởng của hàm lượng maltodextrin đến các đặc trưng của compozit hydroxyapatit/maltodextrin được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp,
Tạp chí Hóa học, 2013, 51(6ABC), 436-440.
6. Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Tổng hợp compozit hydroxyapatit/maltodextrin (DE = 13-17) bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2014, 52(5A), 119-123.
7. Phạm Thị Ngọc Bích, Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Vũ Duy Hiển, Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến đặc trưng của compozit canxi hydroxyapatit/alginat được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, Tạp chí Hóa học, 2014, 52(5A), 270-274.
8. 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 in-situ precipitation,
Vietnam Malaysia International Chemical Congress (VMICC 2014), November 7-9, 2014, Hanoi Vietnam, 95.
9. Nguyễn Thị Lan Hƣơng, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích, Hoàng Thị Tình, Vũ Duy Hiển, Nguyễn Thị Hạnh, Tổng hợp nanocompozit hydroxyapatit trên chất nền 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 sò Lăng Cô bằng phương
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. K. Sato, Mechanism of Hydroxyapatite Mineralization in Biological System: Review, Journal of the Ceramic Society of Japan, 2007, 115(1338), 124-130. 2. A. Märten, P. Fratzl, O. Paris, P. Zaslansky, On the mineral in collagen of
human crown dentine, Biomaterials, 2010, 31(20), 5479-5490.
3. P. Malmberg, H. Nygren, Methods for the analysis of the composition of bone tissue, with a focus on imaging mass spectrometry (TOF-SIMS),
PROTEOMICS, 2008, 8(18), 3755-3762.
4. D. L. Batchelar, M. T. M. Davidson, W. Dabrowski, I. A. Cunningham, Bone- composition imaging using coherent-scatter computed tomography: Assessing bone health beyond bone mineral density, Medical Physics, 2006, 33(4), 904-915. 5. Y.-Y. Hu, A. Rawal, K. Schmidt-Rohr, Strongly bound citrate stabilizes the apatite nanocrystals in bone, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, 107(52), 22425-22429.
6. S. S. Jee, R. K. Kasinath, E. DiMasi, Y.-Y. Kim, L. Gower, Oriented hydroxyapatite in turkey tendon mineralized via the polyme-induced liquid- precursor (PILP) process, Cryst. Eng. Comm., 2011, 13(6), 2077-2083.
7. M. Iijima, Y. Moriwaki, R. Yamaguchi, Y. Kuboki, Effect of Solution pH on the Calcium Phosphates Formation and Ionic Diffusion on and through the Collagenous Matrix, Connective Tissue Research, 1997, 36(2), 73-83.
8. A. Rabiei, T. Blalock, B. Thomas, J. Cuomo, Y. Yang, et al., Microstructure, mechanical properties, and biological response to functionally graded HA coatings, Materials Science and Engineering C, 2007, 27(3), 529-533.
9. C. Liang, M. M. Joseph, C. M. L. James, L. Hao, The role of surface charge on the uptake and biocompatibility of hydroxyapatite nanoparticles with osteoblast cells, Nanotechnology, 2011, 22(10), 1057-1066.
10. I. M. Pelin, S. S. Maier, G. C. Chitanu, V. Bulacovschi, Preparation and characterization of a hydroxyapatite–collagen composite as component for injectable bone substitute, Materials Science and Engineering: C, 2009, 29(7), 2188-2194.
11. D. Z. Chen, C. Y. Tang, K. C. Chan, C. P. Tsui, P. H. F. Yu, et al., Dynamic mechanical properties and in vitro bioactivity of PHBHV/HA nanocomposite,
Composites Science and Technology, 2007, 67(7–8), 1617-1626.
12. P. O'Hare, B. J. Meenan, G. A. Burke, G. Byrne, D. Dowling, et al., Biological responses to hydroxyapatite surfaces deposited via a co-incident microblasting technique, Biomaterials, 2010, 31(3), 515-522.
13. Y. W. Gu, K. A. Khor, P. Cheang, Bone-like apatite layer formation on hydroxyapatite prepared by spark plasma sintering (SPS), Biomaterials, 2004,
25(18), 4127-4134.
14. E. Marini, P. Ballanti, G. Silvestrini, F. Valdinucci,E. Bonucci, The presence of different growth factors does not influence bone response to hydroxyapatite: preliminary results, Journal of Orthopaedics and Traumatology, 2004, 5(1), 34-43.
15. T. Kokubo, H. Takadama, How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity?, Biomaterials, 2006, 27(15), 2907-2915.
16. P. Habibovic, M. C. Kruyt, M. V. Juhl, S. Clyens, R. Martinetti, et al., Comparative in vivo study of six hydroxyapatite-based bone graft substitutes,
Journal of Orthopaedic Research, 2008, 26(10), 1363-1370.
17. S. M. Rabiee, F. Moztarzadeh,M. Solati-Hashjin, Synthesis and characterization of hydroxyapatite cement, Journal of Molecular Structure,
2010, 969(1–3), 172-175.
18. R. Kniep, P. Simon, Fluorapatite-Gelatine-Nanocomposites: Self- Organized Morphogenesis, Real Structure and Relations to Natural Hard Materials, in Biomineralization I, K. Naka, Editor. 2007, Springer Berlin Heidelberg.73-125.
19. M. Iijima, C. Du, C. Abbott, Y. Doi, J. Moradian-Oldak, Control of apatite crystal growth by the co-operative effect of a recombinant porcine amelogenin and fluoride, European Journal of Oral Sciences, 2006, 114, 304-307.
20. L. B. Gower, Biomimetic Model Systems for Investigating the Amorphous Precursor Pathway and Its Role in Biomineralization, Chemical Reviews,
21. S. Eiden-Aßmann, M. Viertelhaus, A. Heiß, K. A. Hoetzer, J. Felsche, The influence of amino acids on the biomineralization of hydroxyapatite in gelatin,
Journal of Inorganic Biochemistry, 2002, 91(3), 481-486.
22. A. Bigi, F. Marchetti, A. Ripamonti, N. Roveri, E. Foresti, Magnesium and strontium interaction with carbonate-containing hydroxyapatite in aqueous medium, Journal of Inorganic Biochemistry, 1981, 15(4), 317-327.
23. J. Li, Y. Yin, F. Yao, L. Zhang, K. Yao, Effect of nano- and micro- hydroxyapatite/chitosan-gelatin network film on human gastric cancer cells,
Materials Letters, 2008, 62(17–18), 3220-3223.
24. C.-H. Hou, S.-M. Hou, Y.-S. Hsueh, J. Lin, H.-C. Wu, et al., The in vivo