Phổ FTIR của các mẫu HA nguyên bản NB1, NB2, NB3, NB4

(NB3)

(NB2) (NB1)

Phổ FTIR của các mẫu ép viên theo tỉ lệ 1mg HA với 400 mg KBr đo trên máy IMPACT 410 – Nicolet trong vùng 4000 – 500 cm-1 đƣợc chỉ ra ở hình 3.2.

Trên phổ FTIR của mẫu NB1, không xuất hiện các dải phổ đặc trƣng của HA, do trong mẫu HA của NB1 là mẫu nguyên bản có các hợp chất hữu cơ nhƣ máu, cơ, gân, có thành phần là protein và chất béo cịn nhiều nên khơng thu đƣợc phổ đặc trƣng của HA nguyên bản nhƣ giản đồ XRD. Điều này cũng phù hợp với thực tế là ở hai đầu xƣơng có cấu trúc xốp, chứa rất nhiều các chất hữu cơ.

Mẫu NB2: Phổ FTIR trở nên rõ nét hơn, xuất hiện các dải phổ ở vị trí từ 1042 đến 900, 602, 569 và 478 cm-1 đặc trƣng cho các dao động của nhóm 3

4

PO . Khơng xuất hiện các dải phổ của nhóm OH, trên phổ xuất hiện các vân hấp thụ với cƣờng độ mạnh trong vùng từ 1660 đến 1410 cm-1 đặc trƣng cho nhóm 2

3

CO , cũng xuất hiện dải phổ hấp thụ ở vị trí 875 cm-1 đặc trƣng cho nhóm 2

4

HPO , dải phổ 3420 cm-1 là của các phân tử H2O liên kết hydro. Ngồi ra, trên phổ cịn có các dải hấp thụ ở vùng 2956 cm-

1

với cƣờng độ yếu, đặc trƣng cho nhóm – CH2 – của một lƣợng rất nhỏ các tạp chất

hữu cơ có thể vẫn tồn tại trong mẫu.

Đối với mẫu NB3 và NB4 trên hình 3.2 cho thấy, đều xuất hiện các dải phổ đặc trƣng cho cấu trúc phân tử HA (Ca10(PO4)6(OH)2. Các dải phổ ở các vị trí 635 cm-1 và 3571 cm-1 đặc trƣng cho các dao động của nhóm OH trong cấu trúc. Các dải phổ ở vị trí từ 1040 đến 1049 cm-1, 966, 603, 568 và 478 cm-1 đặc trƣng cho các dao động của nhóm 3

4

PO . Sản phẩm HA của mẫu NB3 và NB4 đƣợc đánh giá là tốt khi có các dải phổ đặc trƣng ở vị trí 635 cm-1, 568 – 603 cm-1 xuất hiện rõ nét.

3.1.3. Ảnh SEM

Dựa vào kết quả ảnh SEM, có thể xác định hình dạng và kích thƣớc tƣơng đối của các hạt HA.

Hình 3.3: Ảnh SEM của các mẫu HA nguyên bản NB1(NB1a, NB1b, NB1c) và NB2 (NB2.a, NB2.b, NB2.c)

Quan sát ảnh SEM NB1.a, NB1.b và NB1.c trên hình 3.3 nhận thấy, các hạt chƣa hình thành rõ rệt, chƣa xác định đƣợc hình dạng, kích thƣớc cụ thể của hạt HA. Do đây là mẫu HA nguyên bản, đƣợc lấy từ hai đầu xƣơng có cấu trúc xốp, hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ trong mẫu cao, nên các hạt HA bị bao phủ và phân bố trong môi trƣờng của các hợp chất hữu cơ. Vì vậy, hình dạng các hạt HA chƣa xuất hiện rõ ràng.

NB1.c

NB1.a NB1.b

NB2.a

Trên ảnh của các mẫu NB2.a, NB2.b và NB2.c các hạt HA kết tập với nhau thành từng khối khơng có hình dạng rõ ràng. Các mẫu HA của NB2 có cấu trúc đặc khít nên hàm lƣợng các hợp chất hữu cơ giảm nhiều.

3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, khơng có phụ gia thƣờng, khơng có phụ gia

Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian ninh đến độ đơn pha, độ tinh thể và trạng thái tập hợp hạt của bột HA. Các thí nghiệm được thực hiện ở áp suất thường, khơng có phụ gia, một số mẫu đem nung ở 7000C, với thời gian khác nhau. Sản phẩm HA được khảo sát bằng các phương pháp XRD, FTIR, SEM, phân tích nhiệt và độ xốp tổng.

3.2.1.Giản đồ XRD

Giản đồ XRD của các mẫu HA tách ra ở áp suất thƣờng, khơng có phụ gia đƣợc chỉ ra ở hình 3.4.

(T1) (T2)

Hình 3.4: Giản đồ XRD của các bột HA được tách ra ở điều kiện áp suất thường,

khơng có phụ gia

Quan sát trên giản đồ XRD của mẫu T1 và T2 cho thấy, vị trí và cƣờng độ các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA tƣơng tự nhau. Các vạch đặc trƣng chƣa tách biệt khỏi nhau, tạo ra một vạch rộng và có cƣờng độ yếu, do đó khơng xác định đƣợc độ tinh thể của sản phẩm HA.

Trên giản đồ T4 và T5 nhận thấy, các vạch nhiễu xạ đặc trƣng cho HA xuất hiện rõ ràng hơn so với giản đồ của T1 và T2, trên phổ không thấy sự xuất hiện của các pha lạ. Các vạch nhiễu xạ đặc trƣng dần tách biệt khỏi nhau và có cƣờng độ tăng lên, đồng thời độ rộng của các vạch nhiễu xạ đặc trƣng giảm, độ nhọn của các vạch nhiễu xạ tăng lên. Chứng tỏ sản phẩm HA thu đƣợc của T4 và T5 có độ tinh thể cao hơn sản phẩm HA ở T1 và T2.

Với mẫu T6, trên giản đồ XRD chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA (JCPDS#24 - 0033), khơng thấy sự có mặt của các pha lạ, độ tinh thể rất cao.

Nhƣ vậy, từ giản đồ T1 đến T6 với thời gian khảo sát tăng dần, cho thấy tinh thể các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của sản phẩm HA hình thành càng rõ rệt hơn, độ tinh thể cao hơn. Đồng thời trong quá trình ninh mẫu, nhiệt độ tạo ra đã loại bỏ đi các hợp chất hữu cơ có trong xƣơng, cụ thể là các mạch máu, cơ, gân, collagen … có thành phần là protein, peptit, chất béo và một số chất khác có tính chất hữu cơ. Các chất protein, peptit có cấu trúc sợi dễ bị đứt ra, bị thủy phân thành các axit amin. Các chất béo dƣới tác dụng của nhiệt độ cũng bị hòa tan và thủy phân thành các muối của axit hữu cơ và glixerol khuếch tán vào trong nƣớc.

Sơ đồ và cơ chế quá trình thủy phân của các protein thành các amino axit, đƣợc trình bày nhƣ sau:

Proteint OH0,  các polipeptitt OH0,  các peptit t OH0,  các amino axit

...-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-... + H2O t OH0,  ...-NH2 - CH-COOH + | | | |

R1 R2 R3 R1

+ NH2-CH-COOH + NH2-CH-COOH + ... (34) | |

R2 R3

Phƣơng trình phản ứng thủy phân của các chất béo đƣợc thể hiện nhƣ sau: CH2-O-CO-R1 CH2-OH R1COOH

| |

CH-O-CO-R2 + 3H2O t OH0,  CH-OH + R2COOH | |

CH2-O-CO-R3 CH2-OH R3COOH (35) Triglixerit Glixerol Các axit béo

3.2.2. Phổ FTIR

Phổ FTIR của các mẫu HA tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng, không phụ gia (T2, T5) và nung ở 7000C (T3, T6) đƣợc chỉ ra ở hình 3.5.

Hình 3.5: Phổ FTIR của các mẫu HA được tách ra ở điều kiện áp suất thường

(T2)

(T5) (T6)

Trên phổ FTIR của T2 nhận thấy, không xuất hiện đầy đủ các dải phổ đặc trƣng cho nhóm 3

4

PO  và OH, trong cấu trúc của sản phẩm HA. Đối với nhóm 3 4

PO  khơng có dải phổ ở 472 cm-1, đối với nhóm OH không xuất hiện dải phổ ở 631 cm-1. Bên cạnh đó, các dải hấp thụ mạnh xuất hiện ở 874 và 1415 cm-1 đƣợc quy kết cho nhóm

2 4

HPO  trong CaHPO4 và một lƣợng nhỏ trong phân tử HA. Việc thay thế này sẽ làm giảm tỷ lệ Ca/P của bột HA, dẫn tới tạo thành sản phẩm HA không đúng tỷ lệ hợp thức.

Đối với phổ FTIR của mẫu T5, xuất hiện các dải hấp thụ đặc trƣng cho nhóm

3 4

PO  và OH, ngồi ra còn các dải hấp thụ yếu của nƣớc tự do ở vị trí 3560 cm-1 và 1635 cm-1, đồng thời xuất hiện dải hấp thụ ở vị trí 874 cm-1

của nhóm 2 4 HPO , dải hấp thụ 1416 cm-1 và 1457 cm-1 của nhóm cacbonat 2 3 CO . Nhƣng hàm lƣợng của nó rất nhỏ, nên không phát hiện đƣợc các vạch đặc trƣng của hợp chất này trên giản đồ XRD. Phổ FTIR của mẫu T3 và T6 nung ở 7000C cho thấy, trên phổ xuất hiện đầy đủ các vạch đặc trƣng cho HA, về cơ bản tƣơng tự nhau và phù hợp với phổ của mẫu HA chuẩn của (JCPDS#24-0033).

Từ kết quả trên cho thấy, nhiệt độ là yếu tố có ảnh hƣởng rất lớn đến độ đơn pha và chất lƣợng của sản phẩm HA. Đặc biệt là nung ở nhiệt độ cao 7000C, làm cho các hợp chất hữu cơ bị đốt cháy hoàn tồn, một số chất vơ cơ nhƣ CaCO3, CaHPO4 có một hàm lƣợng nhỏ trong sản phẩm cũng bị phân hủy hoặc bị thủy phân thể hiện ở các phƣơng trình sau:

CaCO3 t0 CaO + CO2 ( 36 ) 14CaHPO4 + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 +4Ca(H2PO4)2 ( 37 ) 4Ca(H2PO4)2 t0 Ca(PO3)2 + 2H2O ( 38 )

3.2.3. Ảnh SEM

Ảnh SEM của một số mẫu HA khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, khơng có phụ gia đƣợc thể hiện ở hình 3.6.

Hình 3.6: Ảnh SEM của mẫu HA ninh đến nhừ ở điều kiện áp suất thường,

khơng có phụ gia (T5)

Quan sát các ảnh từ T5.a đến T5.d cho thấy, các hạt HA xuất hiện theo từng đám khác nhau, vì vậy hình dạng của các hạt HA chƣa rõ ràng, tỉ lệ các hợp chất hữu cơ đã giảm tƣơng đối nhiều. Ảnh SEM của mẫu T5.e và T5.f nhận thấy, các hạt HA xuất hiện rõ ràng hơn, tinh thể có dạng hình que và hình vảy, có kích thƣớc khơng đồng đều. Nhƣ vậy, khi ninh mẫu ở điều kiện nhiệt độ từ 100 – 1020

C các hợp chất hữu cơ đã bị thủy phân một phần và tách khỏi các tinh thể HA. Tỉ lệ các hợp chất hữu cơ giảm

(T5.c) (T5.d)

(T5.a) (T5.b)

dần, đồng thời các tinh thể HA xuất hiện rõ ràng hơn. Quan sát ảnh SEM cho thấy, thời gian ninh mẫu càng lâu ở điều kiện nhiệt độ khảo sát không chỉ ảnh hƣởng đến kích thƣớc hạt mà cịn ảnh hƣởng đến hình dạng của sản phẩm HA.

3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, có chất phụ gia thƣờng, có chất phụ gia

Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến độ đơn pha, độ tinh thể của sản phẩm HA trong q trình tách. Các thí nghiệm được khảo sát ở điều kiện áp suất thường, có phụ gia với thời gian khác nhau, một số mẫu nung ở 7000C trong 2 giờ. Sản phẩm HA được khảo sát bằng các phương pháp XRD, FTIR và độ xốp tổng.

3.3.1. Giản đồ XRD

Giản đồ XRD của các mẫu HA tách ra ở áp suất thƣờng, có phụ gia đƣợc chỉ ra ở hình 3.7.

Hình 3.7: Giản đồ XRD của bột HA được tách ra ở điều kiện áp suất thường,

có phụ gia

(P6)

(P1) (P2)

Quan sát hình 3.7 cho thấy, giản đồ XRD của mẫu P1 và P2 tƣơng tự nhau, chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA, chứng tỏ sản phẩm thu đƣợc là đơn pha. Nhƣng các vạch đặc trƣng chƣa tách biệt nhau mà chồng chập tạo một vạch rộng có cƣờng độ yếu, do đó khơng xác định đƣợc độ tinh thể. Quan sát giản đồ P4 và P5 cho thấy, các vạch nhiễu xạ đặc trƣng cho HA đang dần đƣợc tách ra, có cƣờng độ lớn và rõ ràng hơn so với giản đồ P1 và P2, đồng thời độ tinh thể của HA đƣợc cải thiện. Còn đối với giản đồ P6, mẫu đem nung ở 7000C cho thấy, chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA, khơng thấy sự có mặt của các chất khác.

Nhƣ vậy, các giản đồ từ P1 đến P6 chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA. Ngoài ra trên các giản đồ XRD không xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của NaHCO3 và Na2CO3. Do các chất NaHCO3, Na2CO3 có độ tan lớn trong nƣớc, nên hầu hết các chất này sẽ mất đi trong quá trình rửa sản phẩm bằng nƣớc và etanol sau khi ninh. Nhƣ vậy, chất phụ gia tham gia vào quá trình ninh mẫu, nhƣng khơng làm ảnh hƣởng tới thành phần và tính chất của HA. Điều đó cho thấy chất phụ gia có tác dụng giúp cho quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ (protein, peptit, chất béo, một số chất khác có tính chất hữu cơ) xảy ra nhanh, rút ngắn đƣợc thời gian ninh mẫu.

Dƣới đây là một số phƣơng trình thủy phân của NaHCO3 và Na2CO3 ở điều kiện nhiệt độ cao:

NaHCO3 + H+ t0 Na+ + CO2 + H2O (39)

2NaHCO3 t0 Na2CO3 + CO2+ H2O (40) Na2CO3 + 2H+ t0 2Na+ + CO2 + H2O. (41)

3.3.2. Phổ FTIR

Phổ FTIR của sản phẩm HA khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia đƣợc trình bày trên hình 3.8.

Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu HA khảo sát ở điều kiện áp suất thường,

có phụ gia

Trên phổ FTIR (hình 3.8) của các mẫu HA từ P2 đến P6, các dải đặc trƣng cho tinh thể HA đều xuất hiện.

Nhƣ đã trình bày ở trên, HA có cấu trúc tinh thể tốt phải tồn tại các dải đặc trƣng cho các nhóm 3

4

PO  và OH. Vân hấp thụ của H2O tự do nằm ở vùng 3569 cm-1 và 1640 cm-1.

Ở mẫu P2 và P5: Khơng xuất hiện dải phổ ở vị trí 631cm-1

là một trong hai dải đặc trƣng cho nhóm OH của HA. Điều này chứng tỏ, sản phẩm HA thu đƣợc ở phổ của mẫu P2 và P5 có cấu trúc tinh thể chƣa hồn thiện và độ tinh thể thấp.

Trên phổ FTIR của mẫu P3 và P6 đem nung ở 7000C trong 2 giờ cho thấy, các dải hấp thụ đặc trƣng của nhóm 3

4

PO , OH xuất hiện đầy đủ hơn so với P2 và P5. Nhƣng cả 4 mẫu HA này đều xuất hiện các vân hấp thụ đặc trƣng cho gốc cacbonat

2 3

CO ở vùng 1459 cm-1

, 1415 cm-1 ở mức độ yếu. Các dải phổ này đƣợc gán cho nhóm 2

3

CO trong cấu trúc (khi nó thay thế nhóm OH hoặc 3 4 PO ). Cƣờng độ của các dải (P3) (P2) (P5) (P6)

này giảm dần khi tăng nhiệt độ lên, vì ở nhiệt độ cao tinh thể phát triển hồn thiện hơn. Sự có mặt của 2

3

CO là do trong quá trình ninh mẫu, NaHCO3 đã bị phân hủy thành Na2CO3, nhóm 2

3

CO xâm nhập vào bên trong cấu trúc của HA. Khi đó sản phẩm của phản ứng là các canxi photphat có thành phần thay đổi là Ca10(PO4)6-x(CO3)x(OH)2-

y(CO3)y, chẳng hạn nhƣ: Ca10(PO4)5(CO3)2 OH .

3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, khơng có phụ gia nồi áp suất, khơng có phụ gia

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ninh mẫu đến độ đơn pha, độ tinh thể và trạng thái tập hợp hạt của sản phẩm HA. Các thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện trong nồi áp suất1,7 atm, nhiệt độ khoảng 1200C, khơng có phụ gia với thời gian khác nhau, một số mẫu đem nung ở 7000C trong 2 giờ. Sản phẩm HA được khảo sát bằng các phương pháp XRD, FTIR, SEM, phân tích nhiệt, phân tích thành phần hóa học và độ xốp tổng .

3.4.1. Giản đồ XRD

Giản đồ XRD của các mẫu HA tách ra ở điều kiện ninh trong nồi áp suất, khơng có phụ gia, đƣợc chỉ ra ở hình 3.9.

(A2)

(A5) (A1)

Hình 3.9: Giản đồ XRD của bột HA được tách ra ở điều kiện trong nồi áp suất,

khơng có phụ gia

Trên giản đồ XRD của mẫu A1 và A2 cho thấy, các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA xuất hiện đầy đủ hơn so với giản đồ của mẫu HA nguyên bản NB1 và NB2 ở hình 3.1, độ rộng của các vạch nhiễu xạ giảm, không xuất hiện vạch nhiễu xạ của các pha lạ.

Từ giản đồ XRD của mẫu A4 và A5 thấy, các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA có độ rộng giảm, độ nhọn tăng lên do đó độ tinh thể cũng tăng.

Ở giản đồ của mẫu A6, chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng của HA (JCPDS#24-0033), khơng thấy sự có mặt của các pha lạ, độ tinh thể rất cao (kết quả về