Phần mềm OriginPro 2018 SR1 v9.5.1.195 được sử dụng để vẽ đồ thị, ghép phổ và phân tích các kết quả đo của phương pháp XRD và FT-IR.
Hình 2. 5: Phân tích phổ XRD bằng phần mềm OriginPro 2018.
Phần mềm ImageJ v1.8.0_172 và phần mềm Minitab 19.2020.1 được sử dụng để phân tích kích thước sợi micro electrospun HAp/PCL và vẽ đồ thị phân bố kích thước.
Hình 2. 6: Đo đường kính sợi electrospun bằng phần mềm ImageJ.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Chế tạo HAp
3.1.1.Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp
Từ lượng hai chất tham gia phản ứng ban đầu: 0,22 mol Ca(OH)2; 0,13 mol H3PO4
(tổng hợp ở 30 oC) và 0,22 mol Ca(OH)2; 0,13 mol H3PO4 (tổng hợp ở 50 oC), sau quá trình nung ta thu được hiệu suất của mẫu HAp được tổng hợp ở 30 oC đạt 47,13% và mẫu HAp được tổng hợp ở 50 oC đạt 67,26%.
Hình 3. 1: Hiệu suất tổng hợp bột HAp.
Từ kết quả trên, có thể dễ dàng nhận thấy được hiệu suất HAp thu được ở mẫu tổng hợp 50 oC là cao hơn. Điều đó chứng tỏ khi tổng hợp HAp có sự xúc tác của nhiệt độ, các mầm tinh thể HAp sẽ phát triển tốt hơn dẫn đến hiệu suất của sản phẩm thu được sẽ cao hơn so với khi chúng ta tổng hợp ở nhiệt độ phòng [36].
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
Bột HAp sau khi được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học ướt và đem đi nung ở hai nhiệt độ khác nhau là 650 oC và 950 oC và được phân tích FT-IR, XRD và SEM.
Kết quả FT-IR của HAp tổng hợp ở hai nhiệt độ khác nhau (30 oC và 50 oC) và theo hai nhiệt độ nung khác nhau (650 oC và 950 oC) được hiển thị ở Hình 3.2. Tất cả các mẫu đều thể hiện các dải hấp thụ đặc trưng của HAp nằm trong khoảng 1089 cm-1, 1024 cm-1, 962 cm-1đặc trưng cho dao động kéo dài của nhóm PO4 và khoảng 630 cm-1, 600 cm-1, 562cm-1 đặc trưng cho dao động uốn cong của nhóm PO4 trong cấu trúc HAp [37]. Ngoài ra, cả 4 mẫu trên đều xuất hiện dải hấp thụ khá thấp đặc trưng cho nhóm CO3 nằm ở vị trí 1416 cm-1. Điều này chứng tỏ trong quá trình tổng hợp, một phần
Ca(OH)2 đã bị cacbonat hóa để tạo nhóm CO3. Đỉnh hấp thụ của nhóm CO3 ở mẫu nung 950 oC thể hiện cường độ khá thấp chứng tỏ nhóm này bị phân hủy khi nung ở nhiệt độ cao. Bảng 3.1 thể hiện các đỉnh hấp thụ cực đại của các mẫu ở nhiệt độ tổng hợp và nhiệt độ nung khác nhau bằng phương pháp FT-IR.
Hình 3. 2: Ảnh FT-IR ở nhiệt độ tổng hợp và nhiệt độ nung khác nhau. Bảng 3. 1: Thông tin phổ FT-IR ở các nhiệt độ tổng hợp và nung khác nhau.
Vị trí nhiễu xạ và cường độ các peak trong phổ XRD của các mẫu tổng hợp HAp ở nhiệt độ khác nhau (30 oC và 50 oC) và nhiệt độ nung khác nhau (650 oC và 950 oC) được quan sát ở máy XRD thể hiện trong Hình 3.3. Các đỉnh XRD của HAp nung ở nhiệt độ 650 oC cho thấy cường độ yếu, rộng và thấp hơn so với bột HAp nung ở 950 oC. Nhiệt độ nung cao làm cường độ peak tăng cao, đỉnh hẹp và sắc nét. HAp tổng hợp ở 30
oC và 50 oC khi được nung ở 950 oC đều cho ra các đỉnh hẹp và sắc nét hơn 2 mẫu còn lại khi nung ở 650 oC, điều này chứng tỏ nung ở nhiệt độ cao sẽ tăng cường sự kết tinh của tinh thể HAp. Sự tăng cường peak thể hiện rõ nét nhất ở các đỉnh (002) và (211) [37]. STT Nhóm chức HAp650_30 (cm-1) HAp650_50 (cm-1) HAp950_30 (cm-1) HAp950_50 (cm-1) 1 PO4 (Dao động kéo dài) 1025 1027 1028 1024 2 PO4 (Dao động uốn cong) 562 562 563 562
Độ sắc nét của các đỉnh thể hiện sự kết tinh tốt của HAp. Ngược lại, ở nhiệt độ nung thấp hơn thể hiện sự kết tinh kém hơn. Các peak nhiễu xạ thể hiện ở Hình 3.3 bởi các mặt mạng (002), (211), (210), (112), (300), (310), (222), (213), (004) đã được chứng minh thuộc dạng mạng lục giác, nhóm mạng P63/m bằng cách so sánh phổ nhiễu xạ XRD của HAp lý thuyết và tính toán thực tế trên mẫu HAp tổng hợp ở 50 oC và nung ở 950 oC thông qua phương trình Bragg cho mạng lục phương [38] (Bảng 3.2):
Bảng 3. 2: Góc nhiễu xạ của bột HAp950_50 so với lý thuyết. Mặt mạng 2lý thuyết) ( o ) 2tính toán) ( o ) ∆2 (0 0 2) 25.88 25.74 0.14 (2 1 0) 28.97 28.82 0.15 (2 1 1) 31.81 31.66 0.14 (1 1 2) 32.21 32.06 0.15 (3 0 0) 32.95 32.81 0.13 (2 0 2) 34.08 33.97 0.11 (3 1 0) 39.85 39.72 0.14 (2 2 2) 46.75 46.60 0.15 (2 1 3) 49.51 49.38 0.13 (0 0 4) 53.21 53.03 0.19
Từ Bảng 3.2 cũng có thể thấy được delta 2Theta của phổ XRD dạng mạng lục
phương, nhóm P63/m lý thuyết và tính toán lệch nhau rất nhỏ 0.14 ≤ ∆2 ≤ Sự sai lệch này có thể là do hiện tượng xê dịch đỉnh xảy ra khi các tinh thể giãn ra hay co vào khi chịu sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.
Hình 3. 3: Ảnh XRD của HAp ở các nhiệt độ tổng hợp và nung khác nhau a) HAp650_30, b) HAp650_50, c) HAp950_30, HAp950_50.
Ảnh SEM bột HAp ở nhiều độ phóng đại khác nhau (Hình 3.4) được quan sát ở mẫu tổng hợp ở 50 oC và nhiệt độ nung là 950 oC cho thấy bột có xu hướng kết tụ cao. Điều này có thể là do năng lượng bề mặt của bột cao khiến chúng có xu hướng kết tụ lại với nhau. Tuy nhiên phương pháp SEM vẫn chưa quan sát được hình dạng của bột HAp đã được tổng hợp.
Phân tích FE-SEM được thực hiện để phân tích hình dạng của bột HAp được tạo thành. Ảnh FE-SEM của mẫu HAp950_50 đã được quan sát với nhiều độ phóng đại khác nhau và được mô tả trong Hình 3.5. Theo Hình 3.5 sự hình thành các hạt có hình dạng giống hình que đã được quan sát thấy.
Hình 3. 4: Ảnh SEM của bột HAp950_50 a) độ phóng đại 200-10kV b) độ phóng đại 1.20k-10kV c) 3.00k-10kV và d) 5.00k-10kV.
Hình 3. 5: Ảnh SEM bột HAp tổng hợp ở 50 oC và nhiệt độ nung 950 oC ở các độ phóng đại a) 5k, b) 10k, c) 30k, d) 60k ở điện thế 5kV.
3.2. Sợi electrospun PCL
3.2.1 Phân tích cấu trúc của sợi electrospun PCL bằng FT-IR
Hình 3. 6: Phổ FT-IR của a) PCL electrospinning và b) PCL thô.
Kết quả phân tích FT-IR của sợi electrospun PCL được hòa tan trong dung môi DCM sau khi phun 24 giờ cho thấy đỉnh hấp thụ este đặc trưng của PCL (C=O) ở bước sóng 1721 cm-1. Ngoài ra còn có các đỉnh hấp thụ khác như: 2943 cm-1 (CH2 chuyển động kéo dài không đối xứng), 2865 cm-1 (CH2 chuyển động kéo dài đối xứng) tương tự như khi quan sát ở mẫu PCL thô (Hình 3.6). Điều đó chứng tỏ dung môi và phương pháp electrospinning không làm ảnh hưởng đến cấu trúc của PCL trong quá trình tạo sợi [39].
3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ polymer
Nồng độ polymer là yếu tố quan trọng quyết định đến hình thái cuối cùng của các hạt/sợi micro của phương pháp electrospinning. Ảnh kính hiển vi quang học của sợi
electrospun PCL trong dung môi chloroform ở các nồng độ khác nhau, các thông số khác được giữ nguyên trong quá trình khảo sát (0,3 ml/h; 15 kV; 17,5 cm; 20G) được thể hiện ở Hình 3.7 và Hình 3.8.
Kết quả cho thấy ở nồng độ PCL 15 %kl và 16 %kl thì mẫu thu được ở dạng hạt (Hình 3.7a, b), tăng nồng độ PCL lên 17 %kl ta thấy rằng các mẫu thu được ở dạng hạt kéo dài kết dính với nhau do dung môi chưa bay hơi hoàn toàn khi đến bản thu (Hình
3.7c). Ở nồng độ PCL 23 %kl và 25 %kl (Hình 3.8a, b) có hiện tượng tạo sợi nhưng vẫn
có hạt đính trên sợi. Tuy nhiên số lượng hạt đính trên sợi ở mẫu 25 %kl ít hơn mẫu 23 %kl. Ở nồng độ PCL 27 %kl ta thấy rằng không có hiện tượng tạo hạt trên sợi, sợi thu được có hình thái đồng đều (Hình 3.8c). Tuy nhiên khi tiếp tục tăng nồng độ lên 29 %kl PCL, quá trình phun tạo sợi bị gián đoạn, dung dịch bị tắc nghẽn tại đầu kim nên chỉ thu được các sợi ngắn, hình thái không đồng đều (Hình 3.8d).
Hình 3. 7: Ảnh kính hiển vi của sợi electrospun PCL ở các nồng độ khác nhau: (a) 15 %kl PCL; (b) 16 %kl PCL; (c) 17 %kl PCL; (Chloroform; 15 kV; 0,3 ml/h;
17,5 cm; 20G)
Hình 3. 8: Ảnh kính hiển vi của sợi electrospun PCL ở các nồng độ khác nhau: (a) 23 %kl PCL; (b) 25 %kl PCL; (c) 27 %kl PCL; (d) 29 %kl PCL (Chloroform; 15
Nồng độ polymer có mối quan hệ trực tiếp đến độ nhớt và sức căng bề mặt của dung dịch. Tăng nồng độ dung dịch polymer làm cho độ nhớt của dung dịch polymer tăng. Điều đó dẫn đến độ rối chuỗi trong phân tử polymer nhiều hơn, dễ dàng tạo ra các vi sợi [40]. Ở nồng độ polymer đủ thấp, nhiều hạt hoặc nhiều vi cầu xuất hiện trong quá trình electrospinning. Tăng nồng độ polymer, có thể làm giảm số lượng và kích thước của các hạt và loại bỏ hoàn toàn các hạt để hình thành các vi sợi. Tuy nhiên, nếu tăng nồng độ dung dịch polymer cao, khi phun sẽ tạo giọt dung dịch với thể tích lớn ở đầu kim, lúc này sức căng bề mặt giọt polymer càng lớn, lực điện trường Coulomb không đủ lớn để kéo sợi, khả năng tạo sợi thấp, có thể xảy ra hiện tượng tắc nghẽn dung dịch tại đầu kim [41].
Dựa vào kết quả khảo sát trên, nhận thấy nồng độ dung dịch 27 %kl PCL có khả năng tạo sợi liên tục, có độ lặp lại, hình thái sợi tương đối đồng nhất.
3.2.3 Ảnh hưởng của lưu lượng phun
Lưu lượng phun của dung dịch polymer là một yếu tố quan trọng khác để kiểm soát hình thái và kích thước của sợi electrospun PCL. Ảnh hưởng của lưu lượng phun khác nhau (0,3 ml/h; 0,4 ml/h; 0,5 ml/h) lên hình thái và sự phân bố đường kính trung bình của sợi electrospun PCL được thể hiện ở Hình 3.9. Nồng độ dung dịch PCL 27 %kl;
dung môi Chloroform; điện áp đặt vào 15 kV; khoảng cách từ đầu kim đến bản thu 17,5 cm; đầu kim 20G.
Dựa vào kết quả ảnh kính hiển vi quang học của sợi electrospun PCL ở Hình 3.9 cho thấy, có thể thu được sợi electrospun PCL ở các lưu lượng phun từ 0,3 ml/h đến 0,5 ml/h. Tuy nhiên ở tốc độ phun 0,4 ml/h và 0,5 ml/h thì quan sát thấy có hiện tượng các sợi bị kết dính với nhau nhiều (Hình 3.9b, c). Các sợi micro PCL có hình thái sợi tương đối đồng nhất, ít bị khuyết tật trên sợi khi phun ở lưu lượng 0,3 ml/h (Hình 3.98a). Sự thay đổi lưu lượng phun cũng ảnh hưởng đến kích thước của sợi thu được. Càng tăng lưu lượng phun, đường kính sợi càng tăng. Đường kính trung bình của các sợi tăng nhẹ từ 13,33 ± 1,33 μm lên 18,79 ± 2,49 μm khi lưu lượng phun thay đổi từ 0,3 ml/h lên 0,4 ml/h (Hình 3.9d, e). Tuy nhiên, khi lưu lượng phun tăng lên 0,5 ml/h thì đường kính sợi tăng lên mạnh 26,98 ± 4,79 μm (Hình 3.9f). Nhận thấy sợi electrospun PCL thu được ở lưu lượng phun 0,3 ml/h có đường kính sợi nhỏ nhất, kích sợi sợi tương đối đồng đều.
Hình 3. 9: Ảnh hưởng của lưu lượng phun lên hình thái và kích thước sợi electrospun PCL: (a, d) 0,3 ml/h; (b, e) 0,4 ml/h; (c, f) 0,5 ml/h (27 %kl PCL;
Chloroform; 15 kV; 17,5 cm; 20G).
Sự thay đổi lưu lượng phun của dung dịch polymer là nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi kích thước sợi thu được trong quá trình electrospinning. Nếu lưu lượng phun rất thấp, lượng dung dịch polymer cung cấp cho đầu kim không đủ để lực điện trường tương ứng kéo tia dung dịch polymer về phía bản thu, quá trình tạo sợi electrospun PCL sẽ bị gián đoạn. Ở lưu lượng này chỉ thu được các sợi ngắn, có hình thái và kích thước sợi không đồng đều. Khi lưu lượng phun đủ thấp thì dung dịch polymer có đủ thời gian để phân cực, thời gian vừa đủ để dung môi có thể bay hơi hoàn toàn khi sợi đến bản thu, thu được sợi có hình thái đồng nhất. Tuy nhiên nếu điều chỉnh lưu lượng phun quá cao, thì lượng dung dịch polymer được đẩy đến đầu kim quá nhiều, lực điện trường đặt vào không đủ lớn để có thể kéo hết lượng dung dịch polymer ở đầu kim. Các sợi thu được có đường kính dày hơn do sự phân bố điện tích trên bề mặt dung dịch polymer không đều và có
dung môi bay hơi chưa hoàn toàn. Do vậy khi tăng lưu lượng phun quá lớn thì đòi hỏi điện áp đặt vào thích hợp sao cho lực điện trường Coulomb đủ lớn để có thể kéo sợi liên tục [42][43].
Từ kết quả khảo sát cho thấy ở nồng độ dung dịch PCL 27 %kl thì lưu lượng lượng
phun 0,3 ml/h là thích hợp để tiến hành cho các khảo sát tiếp theo.
3.2.4 Ảnh hưởng của điện áp đặt vào
Sự ảnh hưởng của điện áp đặt vào đến hình dạng và đường kính sợi electrospun PCL thu được, khảo sát này tiến hành ở nồng độ 27 %kl PCL; dung môi Chloroform; lưu lượng phun 0,3 ml/h; điện áp đặt vào lần lượt (15 kV; 16 kV; 17 kV); 17,5 cm; 20G được thể hiện ở Hình 3.10.
Nhìn chung khi thực hiện quá trình electrospinning ở cả 3 điện áp đều thu được các sợi electrospun PCL. Khi tăng điện áp từ 15 kV đến 16 kV, các sợi thu được có xu hướng phân tách, hạn chế được sự kết dính, hình thái sợi có sự đồng đều hơn (Hình 3.10a, b). Tuy nhiên, ở điện áp đặt vào từ 17 kV trở lên thì tia dung dịch đi ra từ đầu kim có xu hướng giật, lắc mạnh, dẫn đến chế độ phun bất ổn định, quá trình tạo sợi không liên tục, sợi thu được có thể lẫn hạt (Hình 3.10c). Điện thế đặt vào ảnh hưởng đến kích thước sợi electrospun PCL thu được. Nhìn vào Hình 3.10a, b, c có thể nhận thấy được rằng kích thước của các sợi electrospun PCL thu được xu hướng giảm dần khi điện áp đặt vào tăng lên. Đường kính trung bình của sợi electrospun PCL giảm đáng kể từ 17,14 ± 3,86 μm xuống 13,33 ± 1,33 μm và 9,04 ± 0,89 μm tương ứng với điện áp đặt vào tăng từ 15 kV lên 16 kV và 17 kV (Hình 3.10d, e, f).
Trong quá trình electrospinning, khi đặt một điện áp vào giọt dung dịch polymer ở đầu kim, bề mặt của chất dung dịch được tích điện do đó lực điện trường Coulomb thắng sức căng bề mặt của dung dịch polymer và một tia mang điện tích được phun ra khỏi hình nón Taylor khi điện áp đặt vào cao hơn điện áp tới hạn. Lực điện trường Coulomb quyết định hình dạng giọt dung dịch polymer ban đầu tại đầu kim. Do đó, các hình thái của sợi electrospun PCL có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi điện áp. Khi điện áp đặt vào quá thấp, lực điện trường không đủ lớn để có thể vượt qua sức căng bề mặt của dung dịch, các giọt dung dịch polymer được phun ra tại đầu kim và các hạt được tạo thành trên bản thu. Ở giá trị điện áp mà lực điện Coulomb đủ thắng sức căng bề mặt của dung dịch polymer thì sợi thu được có hình thái sợi đồng nhất, ít khuyết tật. Tăng điện áp đặt vào quá cao, hình thành lực điện trường quá lớn, hiện tượng kéo sợi bên trong đầu kim xảy ra nhanh chóng, dẫn đến lượng sợi được kéo ra nhiều, dễ bị bám dính vào nhau. Khi đó chế độ phun sợi bất ổn định, các sợi electrospun PCL thu được và có lẫn hạt. Hơn nữa, điện áp đặt vào ảnh hưởng đến đường kính của sợi electrospun PCL. Điều đó xảy
ra khi tăng điện áp đặt vào dẫn đến gia tăng lực tĩnh điện Coulomb lên tia tích điện , dẫn đến đường kính sợi thu được trở nên nhỏ hơn [44][45].
Hình 3. 10: Ảnh hưởng của điện áp đặt vào lên hình thái và kích thước sợi electrospun PCL: (a, d) 15 kV; (b, e) 16 kV; (c, f) 17 kV (27 %kl PCL;
Chloroform; 0,3 ml/h; 17,5 cm; 20G).
Qua khảo sát nhận thấy ở điện áp đặt vào 16 kV, xảy ra chế độ phun hình nón
Taylor ổn định, sợi thu được có kích thước đồng đều, có sự lặp lại, là điện áp thích hợp cho cho quá trình tạo sợi electrospun PCL.
3.2.5 Ảnh hưởng của dung môi
Bảng 3. 3: Đặc điểm của hai loại dung môi Chloroform và Dichloromethane.