Có thể chế tạo HA xốp từ khung xƣơng tự nhiên bằng phản ứng thuỷ nhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO. Trƣớc hết, chuyển hoá khung xƣơng CaCO3 thành CaO mà vẫn giữ ngun hình dạng ban đầu. Sau đó, phản ứng thuỷ nhiệt theo phƣơng trình (15) đƣợc tiến hành trong hệ thiết bị nhƣ hình 1.15, ở nhiệt độ khoảng 2000C, áp suất 10 – 15 atm, thời gian 24 - 48 giờ:
10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH (15) Quá trình thuỷ phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trong bom thuỷ nhiệt đƣợc bọc lót bằng platin hoặc teflon ở nhiệt độ 250 – 3000C, trong thời gian 5 – 10 ngày. Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện cho các tinh thể HA hình thành và phát triển. Phản ứng xảy ra nhƣ sau [10]:
10CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4- (16) 14CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca2+ + 8H2PO4- (17) Ở điều kiện trên, pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu đƣợc là đơn pha, nhƣng thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện.
1.4.2. Phƣơng pháp khô
1.4.2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn
Đây là phƣơng pháp tổng hợp HA trên cơ sở thực hiện các phản ứng pha rắn. Nguyên liệu ban đầu có thể là: Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 và CaO,… đƣợc trộn đều theo tỷ lệ Ca/P = 1,7, sau đó tiến hành phản ứng ở nhiệt độ khoảng 10000C, trong hệ kín. Phản ứng tạo HA diễn ra nhƣ sau:
2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (18) 3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (19) Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là cần thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian dài.
Cũng có thể chế tạo HA bột và khối xốp bằng phản ứng pha rắn giữa Ca3(PO4)2 và Ca(OH)2 ở nhiệt độ thấp (250 – 3000C) trong áp suất khí quyển:
3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2 (20) Các phản ứng pha rắn này thƣờng đƣợc áp dụng để chế tạo HA dạng khối xốp. Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu đƣợc ép nén để tạo ra các chi tiết có hình dạng và độ xốp mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyên đƣợc hình dạng và cấu trúc xốp ban đầu. Chính nhờ những ƣu điểm này mà phƣơng pháp phản ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp.
1.4.2.2. Phương pháp hoá - cơ
Bằng phƣơng pháp hố – cơ, có thể chế tạo HA bột bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O:
4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3 (21) Hoặc bằng các phản ứng sau:
2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (22) 2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (23) Nguyên lý của phƣơng pháp này là tác động một lực ma sát lớn giữa bi và má nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này cần phải đủ mạnh để tạo ra sự khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba. Quá trình phản ứng xảy ra trong thiết bị nghiền với má nghiền và bi có độ cứng cao, khối lƣợng riêng của bi lớn.
1.4.2.3. Một số phương pháp vật lý
Ngoài các phƣơng pháp trên, cịn có một số phƣơng pháp vật lý nhƣ phƣơng pháp plasma, bốc bay chân không, phún xạ magnetron, hồ quang… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu nền trơ sinh học. Nguyên lý của các phƣơng pháp này là làm bốc bay các phân tử HA ở nhiệt độ cao trong chân khơng, sau đó tích tụ lại trên đế trơ sinh học.
a. Phương pháp plasma:
Hình 1.16 là sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp plasma. Bột HA bị ion hoá và một phần nóng chảy trong dòng plasma, tạo ra một lớp màng bám trên vật liệu nền tƣơng đối bền.
Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma
b. Phương pháp bốc bay chân khơng [11]:
Hình 1.17: Sơ đồ ngun lý của phương pháp bốc bay chân không
Bộ phận chính của thiết bị bốc bay nhiệt là một buồng đƣợc hút chân không cao (cỡ 10-5 – 10-6 Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử…). Thuyền điện trở đƣợc làm bằng các vật liệu (vonphram, tantan, bạch kim…) chịu nhiệt và ít tƣơng tác với HA, có nhiệm vụ đốt nóng chảy HA cho đến khi HA bay hơi. Sau đó HA sẽ ngƣng đọng lên các đế đƣợc gắn vào giá phía trên (hình 1.17).
c. Phương pháp phún xạ magnetron:
Hình 1.18 là sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phún xạ magnetron. Nguyên lý của phƣơng pháp là sử dụng nguồn phát để tạo trƣờng điện từ tần số cao (13,56 MHz).
Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron
Do electron có khối lƣợng nhỏ hơn nhiều so với ion dƣơng, nên dòng xoay chiều này chỉ làm dịch chuyển electron, còn ion dƣơng không bị ảnh hƣởng nhiều. Electron di chuyển sẽ va chạm với Ar trung hoà và sinh ra ion Ar+. Các hạt khí ion này đƣợc gia tốc và va chạm với các nguyên tử trên bề mặt của HA, làm cho chúng phún xạ và bay đến vật liệu nền, lắng đọng hình thành nên lớp màng HA.
1.5. Một số phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu HA
1.5.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD)
Phƣơng pháp XRD đƣợc dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lƣợng pha tinh thể và kích thƣớc hạt với độ tin cậy cao.
Nguyên lý của phƣơng pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thƣớc tinh thể lên phổ nhiễu xạ. Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron ( 0
A ) xấp xỉ với bƣớc sóng của tia Rơnghen.
Một chùm electron đã đƣợc gia tốc, có năng lƣợng cao, đang chuyển động nhanh, bị hãm đột ngột bằng một vật cản, một phần năng lƣợng của chúng chuyển thành bức xạ sóng điện từ (tia X) gọi là bức xạ hãm.
Khi một chùm tia X có bƣớc sóng và cƣờng độ I đi qua vật liệu, nếu tia tới
thay đổi phƣơng truyền và thay đổi năng lƣợng gọi là tán xạ không đàn hồi. Khi tia tới thay đổi phƣơng truyền nhƣng không thay đổi năng lƣợng gọi là tán xạ đàn hồi. Trƣờng hợp vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc tinh thể thì hiện tƣợng tán xạ đàn hồi của tia X sẽ đƣa đến hiện tƣợng nhiễu xạ tia X. Hiện tƣợng này chỉ xảy ra với ba điều
kiện: Vật liệu có cấu trúc tinh thể; có tán xạ đàn hồi; bƣớc sóng của tia X (tia tới) có giá trị cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X
Trong mạng lƣới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song, cách đều nhau một khoảng bằng d. Một chùm tia X có bƣớc sóng chiếu tới bề mặt của mạng lƣới tinh thể với một góc sẽ bị phản xạ trở lại (hình 21). Tất cả các tia phản xạ đó tạo nên chùm tia X song song có cùng một bƣớc sóng và có phƣơng truyền làm với phƣơng tia tới một góc 2. Khi hiệu số pha giữa các tia X phản xạ là 2n (n là số nguyên), tại điểm hội tụ chùm tia X sẽ có vân giao thoa với cƣờng độ ánh sáng cực đại.
Các nguyên tử, ion này đƣợc phân bố đều trên các mặt phẳng song song, do vậy hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau đƣợc tính bằng cơng thức:
∆ = 2.d.sin (24) Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song, là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ, là hiệu quang trình của hai tia phản xạ.
Từ hình 1.19 cho thấy, hiệu quang trình giữa hai tia bằng 2.d.sin. Bragg đã biểu diễn điều kiện để có hiện tƣợng nhiễu xạ bằng phƣơng trình:
2.d.sin = n (25)
Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song, là góc giữa chùm tia X, n là bậc phản xạ (số nguyên dƣơng), là bƣớc sóng của tia tới.
Đây là phƣơng trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào giá trị cực đại trên giản đồ (giá trị 2) có thể tính đƣợc d theo phƣơng trình (25). Bằng phƣơng pháp này sẽ xác định đƣợc cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu.
Ngồi việc xác định cấu trúc, XRD cịn cho phép xác định kích thƣớc của tinh thể. Bản chất vật lý của việc xác định kích thƣớc tinh thể bằng phƣơng pháp XRD là:
kích thƣớc hạt và độ rộng của vạch nhiễu xạ có mối liên hệ phụ thuộc. Mẫu có các hạt với kích thƣớc lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ bé và ngƣợc lại. Scherrer đã đƣa ra cơng thức tính tốn kích thƣớc hạt trung bình của tinh thể theo phƣơng trình:
kλ D =
B.cosθ (26)
D là kích thƣớc hạt trung bình (nm), là góc nhiễu xạ, B là độ rộng pic đặc
trƣng (radian) ở độ cao bằng nửa cƣờng độ cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,880, đối với HA), = 1,5406 A0 là bƣớc sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của hạt và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9). Trong phƣơng trình (26), kích thƣớc hạt D tỉ lệ nghịch với độ rộng B và có cos ở mẫu số, nên muốn có giá trị D chính xác cần sử dụng vạch nhiễu xạ tƣơng ứng với góc bé.
Từ giản đồ XRD, độ tinh thể đƣợc tính tốn theo phƣơng pháp phân giải pic, theo công thức:
Y - X
C = 100%
Y (27)
Trong đó: C là độ tinh thể trong bột HA
Y là chiều cao của pic đặc trƣng (với HA, thƣờng chọn pic có chỉ số Miller 300)
X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic có chỉ số Miller 300 và 112
Hình 1.20: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA
Hàm lƣợng pha Ca3(PO4)2 trong bột HA đƣợc đánh giá bằng phƣơng pháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2 = 24 – 380. Hàm lƣợng các pha có trong bột đƣợc tính tốn từ diện tích các pic đặc trƣng cho mỗi pha nhƣ sau:
Sa
%HA = 100%
trong đó, Sa là diện tích của pic đặc trƣng cho tinh thể HA, Sp là diện tích của pic đặc trƣng cho tinh thể Ca3(PO4)2.
Hình 1.21: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP
Giản đồ XRD của mẫu cần đƣợc ghi theo cùng một chế độ với phổ chuẩn ATSM, sau đó kết quả đo đƣợc so sánh với dữ liệu ATSM.
1.5.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR)
Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu, dựa vào các tần số đặc trƣng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử. Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chức đều bị kích thích. Phổ dao động - quay của phân tử đƣợc phát sinh ra do sự chuyển dịch giữa các mức năng lƣợng dao động và quay (liên quan đến sự quay của phân tử xung quanh trục liên kết). Dạng năng lƣợng đƣợc sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lƣợng tử hoá, nghĩa là chỉ có thể biến thiên một cách gián đoạn. Hiệu số năng lƣợng (phát ra hay hấp thụ) đƣợc tính theo cơng thức Bohr:
E = h (29) Trong đó, E là biến thiên năng lƣợng, h là hằng số Planck, là tần số dao
động (số dao động trong một đơn vị thời gian).
Hình 1.22 dƣới đây là sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourie (FTIR). Nguồn bức xạ (1) phát ra một chùm tia hồng ngoại với một tần số trong vùng cần đo. Chùm tia này đi qua bộ giao thoa kế (gồm gƣơng cố định, gƣơng di động và bộ phận phân chia chùm sáng). Bức xạ hồng ngoại sau khi đi ra khỏi giao thoa kế sẽ đi qua mẫu rồi đến detector. Detector ghi nhận sự biến đổi của cƣờng độ của bức xạ
theo quãng đƣờng d mà gƣơng di động thực hiện đƣợc rồi chuyển thành tín hiệu điện. Khi đó, thu đƣợc tín hiệu dƣới dạng hàm của điện thế V theo quãng đƣờng: V = f(d) Máy tính sẽ thực hiện phép biến đổi Fourie để chuyển hàm V = f(d) thành hàm của cƣờng độ bức xạ I theo nghịch đảo của quãng đƣờng d (d-1).
V = f(d)
(FT)
I = f(d-1)
Vì d-1 chính là số sóng υ, do đó thực chất đó là hàm phụ thuộc của cƣờng độ bức xạ vào số sóng.
Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại
1 – Nguồn sáng 2 – Gương cố định 3 – Gương di động 4 – Bộ phân chia chùm sáng 5 – Mẫu 6 – Detector 7 – Computer 8 – Bút tự ghi
Bột HA đƣợc phân tích FTIR để xác định sự có mặt của các nhóm chức: OH-, CO32-, HPO42-, 3
4
PO . Bƣớc sóng đặc trƣng cho các nhóm chức có thể có mặt trong bột HA đƣợc trình bày ở bảng sau:
Bảng1. 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức
Nhóm chức Bƣớc sóng (cm-1) H – O Str C – O Str P – O Str (H3PO4) CO32- Str P – O Str P – O Str H – O Bend O – P – O Bend 3445 2345 1649 1545 – 1445 1091 962 632 576
1.5.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử
1.5.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM)
Nguyên tắc của phƣơng pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tử quét lên bề mặt mẫu và thu nhận lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lý chùm tia phản xạ này, có thể thu đƣợc những thơng tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu.
Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần.
Chùm điện tử đƣợc tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng đƣợc khuếch đại đƣa vào mạng lƣới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình.
Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc lƣợng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ƣu điểm của phƣơng pháp SEM là có thể thu đƣợc những bức ảnh ba chiều rõ nét và khơng địi hỏi khâu chuẩn bị mẫu q phức tạp. Tuy nhiên, phƣơng pháp này cho độ phóng đại nhỏ hơn phƣơng pháp TEM.
Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lí SEM
1.5.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microcopy, TEM) TEM)
Nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu. Do vậy, các mẫu này cần phải đủ mỏng để chùm điện tử xuyên qua.
Hình 1.24: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử
Chùm tia điện tử đƣợc tạo ra từ hai súng phóng điện tử sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua. Chùm tia điện tử truyền qua này đƣợc đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu này đƣợc khuếch đại, đƣa vào mạng lƣới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tƣơng ứng trên màn ảnh, độ sáng tối phụ thuộc vào lƣợng điện tử phát ra tới bộ thu.
Cơ chế phóng đại của TEM là nhờ thấu kính điện tử đặt bên trong hệ đo. Thấu kính này có khả năng thay đổi tiêu cự. Khi tia điện tử có bƣớc sóng cỡ 0,4nm chiếu lên mẫu ở hiệu điện thế khoảng 100 kV, ảnh thu đƣợc cho biết chi tiết hình thái học của mẫu theo độ tƣơng phản tán xạ và tƣơng phản nhiễu xạ, qua đó có thể xác định đƣợc kích thƣớc hạt một cách khá chính xác.
Sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn hình huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu. Chùm tia điện tử đƣợc tạo ra từ catot qua hai “tụ quang” điện tử sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua. Các điện tử phản xạ và điện tử truyền qua này đƣợc đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu này đƣợc khuếch đại, đƣa vào mạng lƣới điều