CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm 1. Hóa chất
- Muối canxi nitrat Ca(NO3)2.4H2O, amoni hydrophotphat (NH4)2HPO4, dung dịch amoniac NH3 (25-28%), magie nitrat Mg(NO3)2.6H2O, kẽm nitrat Zn(NO3)2.6H2O, axit lactic (LA), tetra hydrofuran (THF), xylen, etyl axetat, điclorometan (DCM). Các hóa chất này đều là loại tinh khiết của Trung Quốc.
- Poly (axit lactic) (PLA) dạng hạt, khối lượng riêng 1,24g/cm3, nhiệt độ nóng chảy khoảng 165 – 176oC, M = 250.105 g/mol, là hóa chất tinh khiết của Nature Works – USA, Hoa Kỳ.
- Poly (etylen oxit) (PEO), poly (etylen glycol) (PEG), poly caprotacton (PCL) là các hóa chất tinh khiết của Hoa Kỳ.
- Natri clorua, natri hydrocacbonat, kali clorua, đinatri hydrophotphat đihydrat Na2HPO4.2H2O, magie clorua hexahyđrat MgCl2.6H2O, canxi clorua CaCl2, kali đihydrophotphat KH2PO4, magie sunphat MgSO4.7H2O, glucozơ C6H12O6, axit clohidric HCl 1M. Các hóa chất này đều là loại tinh khiết của Merk để pha dung dịch mô phỏng cơ thể người SBF.
2.1.2. Tổng hợp HAp, HAp biến tính (HAp- bt) và HAp pha tạp-biến tính (HAp-ptbt)
2.1.2.1. Tổng hợp HAp và HAp pha tạp bằng phương pháp kết tủa hóa học Bột HAp và HAp pha tạp kẽm, magie được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học, đi từ Ca(NO3)2, Zn(NO3)2, Mg(NO3)2 và (NH4)2HPO4
theo phương trình sau:
(10-2x)Ca2+ + xZn2+ + xMg2+ + 6PO43- + 2OH- → Ca(10-2x)ZnxMgx(PO4)6(OH)2
(2.1) với x = 0; 0,5 tương ứng với quá trình tổng hợp HAp và HAp pha tạp với tỷ lệ Ca/Zn/Mg là 9/0,5/0,5.
Quy trình tổng hợp như sau:
Đầu tiên cho dung dịch Ca(NO3)2 0,5M hoặc hỗn hợp các dung dịch Ca(NO3)2,Zn(NO3)2 vàMg(NO3)2 với tổng nồng độ là 0,5M vào bình cầu ba cổ, khuấy mạnh với tốc độ 750 vòng/phút ở nhiệt độ 25oC. Sau đó, nhỏ từ từ dung dịch (NH4)2HPO4 0,3M với tốc độ 1ml/phút vào bình cầu (lượng (NH4)2HPO4 được sử dụng để đảm bảo tỷ lệ Ca/P = 10/6). pH của dung dịch phản ứng được giữ ở khoảng 10 bằng dung dịch NH3. Hỗn hợp được già hóa trong 2 giờ và lưu mẫu trong 24 giờ. Sản phẩm được li tâm với tốc độ 4000 vòng/phút và rửa bằng nước cất đến pH = 7. Kết tủa thu được được sấy ở 80oC trong 24 giờ sau đó nghiền với lượng 2,3g/giờ trong cối mã não. Sản phẩm HAp thu được màu trắng, có dạng bột, được bảo quản trong ống sạch.
Sơ đồ quy trình tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học được thể hiện trên hình 2.1
1ml/phút
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tổng hợp HAp, HAp-pt bằng phương pháp kết tủa hóa học
Dung dịch (NH4)2HPO4 (0,3M) Dung dịch NH3 25%
Dung dịch Ca(NO3)2 (0,5M) hoặc hỗn hợp dd Ca(NO3)2,Zn(NO3)2 và Mg(NO3)2 (tổng nồng độ là 0,5M)
Dung dịch chứa HAp, HAp-pt
Sản phẩm bột HAp, HAp-pt
Khuấy 750 vòng/ph
út
1. Già hóa 2 giờ 2. Lưu mẫu 24 giờ
3. Ly tâm 4000vòng/phút, pH = 7 4. Sấy 80oC trong 24 giờ
5. Nghiền
Hình 2.2. Ảnh SEM của bột HAp
Hình 2.2 giới thiệu hình ảnh SEM của bột HAp. HAp tổng hợp được có dạng bột, mịn, màu trắng, tinh thể hình trụ, kích thước hạt khoảng: 19x29 nm [63].
2.1.2.2. Biến tính bề mặt HAp và HAp pha tạp bằng axit lactic
Với mục đích tăng sự phân tán và tương tác của HAp trong nền PLA, trong phần này em tiến hành biến tính bề mặt nano HAp và HAp-pt bằng axit lactic theo quy trình như sau: cho 5 g bột HAp hoặc HAp-pt vào bình cầu có chứa 30 ml THF, tiếp tục nhỏ từng giọt axit lactic vào bình cầu với khối lượng axit lactic là 10 g. Hỗn hợp trên được đặt trong lòng một chậu chứa dầu silicon và được khuấy với tốc độ 750 vòng/phút, nhiệt độ ban đầu là 650C và được để trong thời gian 30 phút. Sau đó thêm 50 ml xylen vào và lắp ống sinh hàn hồi lưu, nhiệt độ phản ứng được tăng lên 150oC và tốc độ khuấy tăng lên 1000 vòng/phút. Duy trì phản ứng trong thời gian 8 giờ. Sản phẩm được lọc rửa ít nhất 3 lần bằng etyl axetat và sấy ở 80oC trong 24 giờ. Sản phẩm HAp biến tính và HAp pha tạp-biến tính thu được ở dạng bột màu trắng. Kết quả khảo sát cho thấy hàm lượng ghép LA đạt giá trị cao nhất là 17% và hiệu suất pha tạp Mg và Zn vào HAp là 87%.
2.1.3. Tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp và PLA/HAp pha tạp – biến tính.
Trong luận văn này em tiến hành tổng hợp vật liệu nanocompozit theo hai phương pháp: Phương pháp trộn nóng chảy và phương pháp dung dịch.
2.1.3.1. Phương pháp trộn nóng chảy
Vật liệu nanocompozit tổng hợp theo phương pháp trộn nóng chảy với quy trình như sau: trộn cơ học PLA và bột nano HAp hoặc HAp pha tạp- biến tính theo các tỷ lệ khối lượng PLA/HAp hoặc PLA/HAp pha tạp- biến tính là:
80/20, 70/30, 60/40. Sau đó cho thêm các chất tương hợp/hóa dẻo là poly (etylen glycol), poly (etylen oxit) hoặc polycaprolacton với tỷ lệ khối lượng khảo sát là 5% hoặc 10% nhằm tăng thêm khả năng phân tán, trộn lẫn, bám dính của hạt nano HAp với PLA. Đồng thời, NaCl cũng được trộn lẫn vào hỗn hợp trên với tỷ lệ khối lượng PLA/NaCl khảo sát là 1/0,5; 1/1 nhằm tạo lỗ xốp cho vật liệu. Đưa hỗn hợp đã trộn vào máy trộn nội gia nhiệt Haake ở 180oC trong thời gian 4 phút, tốc độ quay rotor là 70 vòng/phút. Sau đó, vật liệu được lấy nhanh ra khỏi máy trộn và được ép với lực ép là 10 MPa trên máy ép Toyoseiki (Nhật Bản) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, ở nhiệt độ 180°C trong thời gian 4 phút. Vật liệu nanocompozit sau khi ép ở dạng tấm phẳng và được để ổn định nhiệt 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Để tạo lỗ xốp, vật liệu sau khi tổng hợp cần phải ngâm trong nước cất để loại bỏ NaCl. Quá trình ngâm này chỉ dừng lại khi thử dung dịch sau ngâm bằng dung dịch AgNO3 cho thấy đã hết ion Cl-. Sự thoát ra của các ion Na+ và Cl- làm xuất hiện các lỗ rỗng trong vật liệu và do đó vật liệu nanocompozit có cấu trúc xốp.
2.1.3.2. Phương pháp dung dịch
PLA được hòa tan bằng dung môi điclometan trên máy khuấy từ với tốc độ khuấy 800 vòng/ phút trong khoảng 30 phút ở 25oC. Ở một cốc khác, HAp
hoặc HAp pha tạp- biến tính cùng với các chất tương hợp và chất tạo xốp NH4HCO3 cũng được phân tán trong dung môi điclometan bằng khuấy từ trong điều kiện tương tự. Hai hỗn hợp trên được trộn với nhau và khuấy trong 2 giờ. Hỗn hợp sau đó được đổ ra khuôn kính đến khi dung môi bay hơi hết ở nhiệt độ phòng. Để đảm bảo không còn dung môi trong vật liệu nanocompozit, vật liệu được đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 24 giờ. Vật liệu sau khi sấy khô được ép với lực ép là 10 MPa trên máy ép Toyoseiki (Nhật Bản) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, ở nhiệt độ 180°C trong thời gian 4 phút. Vật liệu nanocompozit thu được ở dạng tấm.
Sơ đồ tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịch được mô tả trên hình 2.6
Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp nanocompozit PLA/HAp (HAp- ptbt) bằng phương pháp dung dịch
2.1.4. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)
Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người SBF được pha 1 lít từ các hóa chất có thành phần được chỉ ra ở bảng 2.2. pH dung dịch là 7,4 được điều chỉnh bằng dung dịch HCl 1M, dung dịch trong suốt và không có kết tủa hay vẩn đục, được bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 2 đến 5oC [57].
+ Khuấy + Đổ ra khuôn + Sấy ở 80oC PLA
(Dung môi)
HAp hoặc HAp-ptbt+
chất tương hợp + NH4HCO3
(Dung môi)
PLA/HAp hoặc PLA/HAp-
ptbt
Bảng 2.2. Thành phần của 1lít dung dịch SBF [3]
STT Muối Nồng độ (g/l)
1 NaCl 8,00
2 NaHCO3 0,35
3 KCl 0,40
4 Na2HPO4.2H2O 0,48
5 MgCl2.6H2O 0,10
6 CaCl2 0,18
7 KH2PO4 0,06
8 MgSO4.7H2O 0,10
9 Glucozo 1,00
Khảo sát sự tương thích của PLA và nanocompozit PLA/HAp trong dung dịch SBF được thực hiện trong cốc nhựa có thể tích 40ml có nắp đậy để hạn chế sự bay hơi dung dịch làm ảnh hưởng đến nồng độ các muối có mặt trong SBF, ở nhiệt độ 37oC (nhiệt độ cơ thể người). Các mẫu được cắt với kích thước 1 x 1cm, sấy khô và xác định khối lượng trước và sau mỗi thời điểm ngâm trên cân phân tích 5 số Sartorius AG Gottingen CP224S/18004308. pH của dung dịch ngâm được xác định trên máy đo pH cầm tay Hanna instrument HI 8424 microcomputer pH meter. Sự biến đổi khối lượng mẫu (∆m) trong quá trình thử nghiệm được tính bằng hiệu của khối lượng mẫu ban đầu và khối lượng mẫu tại thời điểm ngâm. Sau mỗi khoảng thời gian lấy mẫu ra, rửa sạch, sấy khô và cân khối lượng, phân tích (SEM, X-Ray) và đo pH của dung dịch SBF.