Phương pháp thực nghiệm chế tạo composit HA/TB theo phương pháp kết tủa trực tiếp được trình bày ở Mục 2.3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm được khảo sát bằng các phương pháp XRD, FT-IR, SEM, TEM và DTA- TGA.
3.2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần
Các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác nhau (HA/TB: 1/9, 3/7, 5/5 và 7/3 kí hiệu mẫu tương ứng: HT-1, HT-3, HT-5 và HT-7) và được khảo sát các đặc trưng.
a. Đặc trưng XRD
Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB được đưa ra ở Hình 3.23 và các Phụ lục 26-29.
Hình 3.23. Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp
HT-7 HT-5 HT-3 HT-1
Các vạch nhiễu xạ cho thấy chỉ có HA đơn pha (JCPDS 24-0033) được hình thành trong composit, không có vạch nào từ các pha CaP khác. Đáng chú ý, các vạch nhiễu xạ mở rộng và chồng chập lên nhau ở các mẫu composit, chứng tỏ HA tạo thành có kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp tương tự như pha khoáng HA sinh học [170, 177, 179, 184].
Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các mẫu composit tính từ giản đồ XRD theo các công thức 2.4, 2.5 và được trình bày trên Bảng 3.8.
Bảng 3.8. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA
trong các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp
Mẫu D (nm) Xc
HT-7 20 0,24
HT-5 18 0,18
HT-3 15 0,16
HT-1 13 0,10
Các số liệu cho thấy, kích thước và độ tinh thể của HA là khá nhỏ và giảm khi hàm lượng tinh bột tăng lên. Như vậy, kết tủa trực tiếp HA trong chất nền tinh bột đã hạn chế sự phát triển về kích thước và độ tinh thể của HA. Hàm lượng tinh bột càng lớn, tác dụng kìm hãm càng tăng.
b. Đặc trưng SEM và TEM
Ảnh SEM của TB và các composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác nhau được trình bày ở Hình 3.24. Qua quá trình chuẩn bị dung dịch tinh bột, các hạt tinh bột hấp thụ nước, trương nở và kết dính với nhau thành khối, bề mặt tinh bột có các đường gờ nổi lên, trơn mịn. Trong các mẫu composit, không quan sát được rõ rệt các hạt HA như ở mẫu HA nguyên chất, và bề mặt cũng không trơn, mịn như mẫu tinh bột ban đầu (mẫu TB). Các mẫu đều cho thấy, hạt HA phân bố trong chất nền tinh bột và có hình thái học biến đổi khi hàm lượng tinh bột tăng lên.
Hình 3.24. Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác nhau
Ở mẫu HT-1, trên nền tinh bột xuất hiện các hạt HA hình cầu có đường kính khoảng 15 nm, các hạt nằm hoàn toàn trong khối tinh bột. Mẫu HT-3 và HT-5 có những hạt hình que phân bố trên nền tinh bột. Sang mẫu HT-7, các hạt hình trụ, biên hạt khá rõ, có hiện tượng kết tập. Như vậy, khi hàm lượng tinh bột tăng lên, hình thái học hạt HA đi từ hình trụ (HT-7) sang hình que (HT-5 và HT-3) đến hình cầu (HT-1), từ hạt rời rạc bên ngoài đến phân bố vào bên trong chất nền tinh bột. Ảnh TEM của các mẫu composit HA/TB được đưa ra trên Hình 3.25. (e)
HT-7
HT-3 HT-5
Hình 3.25. Ảnh TEM của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác nhau
Mẫu HT-7 cho thấy các hạt HA hình que, dài 60 nm, đường kính 15 nm. Có hạt phân bố rời rạc, có hạt kết khối hoặc kết dính với nhau bởi nền tinh bột. Mẫu HT-5 cho thấy các hạt HA phân tán khá đồng đều trong chất nền tinh bột với kích thước giảm xuống, dài 45 nm, đường kính 12 nm. Mẫu HT-3 có sự phân tán hạt HA trên nền tinh bột là đồng đều nhất, không có hiện tượng kết tập giữa các hạt. Kích thước hạt HA tiếp tục giảm (dài 25 nm, đường kính 8 nm), sự phân bố kích thước cũng khá đồng nhất. Ở mẫu HT-1, với hàm lượng tinh bột cao nhất, hạt HA có kích
HT-7
TB
HT-5
thước rất nhỏ, dài khoảng 19 nm, đường kính 4-6 nm.
Kích thước của HA theo ảnh TEM có khác biệt so với kết quả tính kích thước từ giản đồ XRD (Bảng 3.8) là do: Kích thước HA tính từ giản đồ XRD là kích thước tinh thể trung bình được tính theo công thức Scherrer (2.4) trên cơ sở giả định tinh thể HA có cấu trúc hình cầu. Tuy nhiên, hạt HA thường có cấu trúc hình trụ hoặc hình que, do đó kích thước hạt HA từ ảnh TEM có tính chính xác hơn.
M.S. Sadjadi và cộng sự đã thực hiện phương pháp mô phỏng sinh học bằng cách kết tủa trực tiếp HA trên tinh bột lúa mì từ CaCl2 và NaH2PO4. HA tạo thành có dạng hình que, tương tự HA trong mô xương, với chiều dài 45-85 nm, đường kính 6-12 nm. Việc sử dụng tinh bột ảnh hưởng rất lớn đến hình thái học của HA được cho là do tương tác giữa nhóm chức OH của tinh bột và ion canxi của HA trong vật liệu nanocomposit. Hàm lượng tinh bột càng cao, sự phân bố các hạt HA vào nền tinh bột càng đồng đều [133].
c. Đặc trưng FT-IR
Phổ FT-IR của các composit với tỉ lệ thành phần khác nhau được đưa ra trên Hình 3.26 và các Phụ lục 30-33.
Hình 3.26. Phổ FT-IR của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp
Trên phổ hồng ngoại của các mẫu composit HA/TB xuất hiện các dải phổ đặc trưng cho cấu trúc của HA và tinh bột. Tuy nhiên, vị trí của các dải có nhiều thay đổi so với các mẫu nguyên chất. Bảng 3.9 trình bày số sóng đặc trưng do dao động của các nhóm chức trong HA, TB và các composit HA/TB.
Bảng 3.9. Số sóng của các nhóm chức trong HA, TB và các composit HA/TB
Dao động Số sóng (cm -1) HA TB HT-7 HT-5 HT-3 HT-1 (H-O-H) 3543 3427 3426 3428 3425 (O-H) 3571 631 - -
631 Không xuất hiện
CH - 2929 2935 2934 2933 2925 4 PO43- 567 1025 - 564 1025 564 1028 565 1030 566 1032 (C-O) và (C-C) 1154 - 1109 1113 1158 1154
Từ Bảng 3.9 cho thấy, dải phổ ở vùng 3400-3600 cm-1 đặc trưng cho dao động
(OH) trong HA và TB chuyển về số sóng thấp hơn trong các composit HA/TB. Điều này là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các nhóm OH của HA và TB trong composit [133, 147]. Các dải phổ đặc trưng cho dao động của nhóm OH trong cấu trúc HA ở vị trí 3571 và 631 cm-1 không xuất hiện trong composit HT-5, HT-3 và HT-1, chỉ có mẫu HT-7 là có xuất hiện dải tại 631 cm-1 với cường độ rất yếu. Dải phổ gây ra bởi dao động của nhóm CH trong TB ở 2929 cm-1 chuyển lên số sóng cao hơn ở các mẫu HT-7, HT-5, HT-3. Dải phổ ở 1025cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm PO43- có xu hướng tăng số sóng khi hàm lượng TB tăng. Các dải phổ tương ứng với dao động hóa trị của liên kết C-O và C-C của TB ở 1154 và 1026 cm-1 thay đổi và số sóng, có thể là do chồng lấp với các dải phổ của nhóm PO43- trong HA cũng ở trong vùng này. Mặt khác, tất cả các mẫu đều có sự xuất hiện các dải ở 1421 và 879 cm-1 đặc trưng cho dao động CO32- thay thế nhóm PO43- ở vị trí “B” trong mạng tinh thể HA [126]. Do vậy, HA tạo thành ở đây là apatit-cacbonat thay thế tương tự như trong mô xương sống [129, 182]. Hơn nữa, không có nguồn
ion CO32- trong các vật liệu ban đầu, chứng tỏ có sự kết hợp ion CO32- từ không khí trong suốt quá trình chế tạo composit [182-184].
Theo các nghiên cứu [129, 182], HA sinh học có độ tinh thể rất thấp và chứa các ion khác, chủ yếu là CO32- với lượng vết. Ion CO32- đóng vai trò quan trọng trong sự chuyển hóa của xương và phụ thuộc vào tuổi của xương. Sự có mặt các dải hấp thụ của ion CO32- trong phổ FT-IR, chứng tỏ composit chế tạo được chứa HA tương tự HA sinh học [170, 183].
Như vậy, phổ hồng ngoại đã cho thấy, có nhiều sự thay đổi về vị trí các dải phổ, chứng tỏ sự tương tác giữa HA và TB trong composit chế tạo bằng phương pháp kết tủa trực tiếp khá tốt. Hơn nữa, HA tồn tại ở dạng apatit-cacbonat tương tự như HA trong xương của cơ thể sinh vật. Các nghiên cứu khác cho thấy, tính chất của vật liệu composit HA/polyme, đặc biệt là tính tương thích sinh học và hoạt tính sinh học không chỉ phụ thuộc các tính chất nội tại của HA và polyme, mà còn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự tương tác giữa chúng. Mức độ tương tác càng mạnh, tính tương thích sinh học và hoạt tính sinh học của composit càng gia tăng [143-145].
d. Đặc trưng nhiệt
Hình 3.27 là giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT-5.
Hình 3.27. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT-5
trình mất nước và phân hủy nhiệt của composit. Trên đường TGA, có thể nhận thấy quá trình giảm khối lượng của mẫu thể hiện qua ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất từ nhiệt độ phòng đến 235oC tương ứng với pic thu nhiệt đầu tiên trên đường DTA, khối lượng giảm 9,036% do quá trình mất nước vật lý và hóa học. Khối lượng mẫu giảm đáng kể (33,990%) trong vùng nhiệt độ từ 235 đến 455oC tương ứng với hai pic tỏa nhiệt tiếp theo trên đường DTA, được gán cho quá trình cháy của tinh bột. Giai đoạn thứ ba, từ 455 đến 800o
C khối lượng giảm 1.228% liên quan đến quá trình phân hủy cacbonat và mất nước trong cấu trúc tinh thể HA. Hàm lượng tinh bột trong mẫu HT-5 được tính theo phương trình 3.1 là 37,4%.
3.2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Các mẫu composit HA/TB chế tạo ở 0, 10, 30, 50oC, kí hiệu tương ứng HT- 0, HT-10, HT-30, HT-50.
Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB được đưa ra ở Hình 3.28. Trên giản đồ của tất cả các mẫu đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA (JCPDS 24-0033), không thấy sự có mặt của các pha khác. Như vậy, có thể khẳng định chỉ có HA đơn pha được tạo thành trong composit.
Hình 3.28. Giản đồ XRD của các mẫu composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau
Giản đồ XRD cũng cho thấy, theo chiều tăng của nhiệt độ tổng hợp, các vạch nhiễu xạ dần tách biệt khỏi nhau và độ rộng của chúng giảm xuống.
HT-50 HT-30 HT-10
Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các composit tính từ giản đồ XRD theo các công thức 2.4, 2.5 được trình bày ở Bảng 3.10.
Bảng 3.10. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các mẫu composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau Mẫu D (nm) Xc HT-50 22 0,28 HT-30 18 0,18 HT-10 17 0,15 HT-0 16 0,13
Các số liệu ở Bảng 3.10 cho thấy, kích thước và độ tinh thể của HA trong composit là khá nhỏ và tăng lên khi nhiệt độ phản ứng tăng. Điều này có thể được giải thích là, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng lên và tinh thể HA phát triển thuận lợi hơn.
Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày trên Hình 3.29.
Hình 3.29. Ảnh SEM của các composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau
HT-10
HT-30 HT-50
Mẫu HT-0: Các hạt có kích thước từ 8 đến 20 nm dạng gần tròn phân bố trên nền tinh bột. Biên hạt không rõ nét, xảy ra hiện tượng kết đám giữa các hạt HA.
Mẫu HT-10: Hạt có dạng hình trụ, kích thước rất nhỏ, đường kính khoảng 10 nm, dài 25-35 nm. Biên hạt rõ hơn, hiện tượng kết đám giảm.
Mẫu HT-30: Hạt hình trụ phân bố đồng đều trên nền tinh bột với đường kính khoảng 12 nm, dài 35-45 nm.
Mẫu HT-50: Hạt hình trụ tiếp tục lớn lên, đường kính khoảng 18 nm, dài 45- 55 nm, biên hạt rõ nét hơn.
Như vậy, trong các composit HA/TB các hạt HA có kích thước khá nhỏ, phân bố tương đối đồng đều trên chất nền tinh bột, hiện tượng kết tập giảm.
Việc thay đổi nhiệt độ phản ứng có tác dụng điều chỉnh kích thước hạt, khi nhiệt độ tăng, kích thước tinh thể HA tăng lên. Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước tinh thể khi tổng hợp HA không có tinh bột [54, 55]. Điểm khác biệt ở đây là, khi có mặt polyme hữu cơ, hiện tượng kết tập giảm hẳn và sự thay đổi kích thước và độ tinh thể của hạt HA theo nhiệt độ là nhỏ hơn. Theo tài liệu [54], kích thước hạt HA thay đổi từ 30 nm ở 0oC đến 72 nm ở 30oC, còn trong nghiên cứu này kích thước hạt chỉ thay đổi từ 10 đến 45 nm ở các nhiệt độ tương ứng. Có thể giải thích điều này là, khi có mặt tinh bột, các tinh thể HA bị giữ trong các mắt xích và bị bao bọc bởi polyme này. Sự bao bọc này đã hạn chế sự phát triển tinh thể theo chiều tăng nhiệt độ và làm giảm hiện tượng kết tập. Kết quả này cũng phù hợp với dữ liệu XRD ở trên.
3.2.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit
Các mẫu composit HA/TB được tổng hợp với các tốc độ cấp axit khác nhau (0,5; 2,0; 6 và 10 ml/phút, kí hiệu mẫu tương ứng HV1, HV2, HV3 và HV4) và được xác định một số đặc trưng.
Giản đồ XRD của các composit được tổng hợp ở các tốc độ cấp axit khác nhau được trình bày trên Hình 3.30.
Hình 3.30. Giản đồ XRD của các mẫu composit với tốc độ cấp axit khác nhau
Ở ba mẫu HV1, HV2 và HV3 chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho pha tinh thể HA, chứng tỏ chỉ có HA đơn pha hình thành trong hai mẫu này. Riêng mẫu HV4, ở tốc độ cấp axit 10 ml/phút, ngoài các vạch nhiễu xạ của HA còn có một vạch đặc trưng cho pha brushit (CaHPO4.2H2O) tại 29,3o (JCPDS 9 0077) với lượng vết.
Như đã biết, H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình yếu, phân ly theo 3 nấc: H3PO4 H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2 (3.2) H2PO4- HPO42- + H+ pKa2 = 7,2 (3.3) HPO42- PO43- + H+ pKa3 = 12,3 (3.4) Nếu thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến cân bằng (3.2), (3.3) chiếm ưu thế, do đó nồng độ các ion HPO42- và H2PO4- trong dung dịch sẽ lớn. Ion Ca2+ trong dung dịch sẽ tác dụng với các ion này sinh ra các muối CaP khác. Khi tích số nồng độ các ion của các muối CaP lớn hơn tích số tan của chúng, các pha này kết tủa, trơ động học và không tan ra nữa. Brushit là một trong các pha CaP này.
Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA ở các mẫu HV1, HV2 và HV3 là gần bằng nhau (Bảng 3.11). HV4 HV3 HV2 HV1 Brushit
Bảng 3.11. Kích thước trung bình và độ tinh thể của các mẫu composit với tốc độ cấp axit khác nhau
Mẫu D (nm) Xc
HV1 19 0,20
HV2 18 0,18
HV3 19 0,20
Qua kết quả ở trên thấy có thể thấy rằng, tốc độ cấp axit cao sẽ không thuận lợi cho sự tạo mầm và hình thành HA đơn pha trong composit.
Hình 3.31 trình bày ảnh SEM của các mẫu composit với tốc độ cấp axit khác nhau.
Hình 3.31. Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB với tốc độ cấp axit khác nhau
Các mẫu có tốc độ cấp axit lớn (HV3 và HV4) có hiện tượng kết đám. Hai mẫu còn lại (HV1 và HV2) có sự phân bố tốt hơn. Như vậy, tốc độ cấp axit 2 ml/phút (HV2) là thích hợp, đảm bảo thời gian phản ứng tạo thành và phân tán HA đồng đều