1.2. Tổng quan chung về hydroxyapatit (HAp)
1.2.1. Tính chất của HAp
1.2.1.1. Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HAp), Ca10(PO4)6(OH)2, tồn tại trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tồn tại. HAp có nhiệt độ nóng chảy 1760oC và
10
nhiệt độ sôi 2850oC, độ tan trong nước 0,7 g/L, khối lượng mol phân tử 1004,6 g, khối lượng riêng là 3,08 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Bằng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết được tinh thể HAp tồn tại các dạng khác nhau: dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu, hình trụ (hình 1.5) [7, 32].
Hình 1.5: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HAp [32-34]
(a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu (d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim
HAp có hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). Khi được điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 100oC HAp có dạng lục phương và có dạng đơn tà khi nung dạng lục phương ở 850oC trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, giản đồ pha X-ray của hai dạng này giống nhau cả về số lượng và vị trí của các pic nhiễu xạ, chỉ khác nhau về cường độ pic. Đối với dạng đơn tà cường độ các pic yếu hơn so dạng lục phương khoảng 1% [36].
Cấu trúc của HAp tổng hợp, HAp có trong thành phần của xương và ngà răng thường có dạng lục phương và thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 90o và
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
11
γ = 120o. Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp như hình 1.6 [36, 37].
Ca2+
PO4 3-
OH-
Hình 1.6: Cấu trúc của HAp [38]
Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1.7, có thể nhận thấy phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hoá trị. Hai nhóm -OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [39].
Hình 1.7: Công thức cấu tạo của phân tử HAp [38, 40]
1.2.1.2. Tính chất hoá học [36]
HAp không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 x 1) (1.2) Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO:
12
Ca10(PO4)6(OH)2 2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (1.3) Ca10(PO4)6(OH)2 3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4) 1.2.1.3. Tính chất sinh học [40, 41]
HAp tự nhiên và nhân tạo có cùng bản chất và thành phần hóa học, đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn, kích thước nano HAp là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HAp có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao.
Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản. Vì những đặc tính này, bột HAp kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.
Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân huỷ chậm nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất. Để chế tạo vật liệu HAp có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và chọn lựa các thông số công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học.
Khi phân tích thành phần xương người, người ta thấy xương gồm có phần vô cơ và hữu cơ. Phần hữu cơ chiếm khoảng 30% trọng lượng cơ thể, được tạo bởi các collagen, các cement và các thành phần tế bào xốp. Collagen là một mạng lưới các màng liên kết nội và một ma trận các tế bào mở rộng
13
của xương nhằm thu hút các khoáng chất phát triển trên bề mặt làm cho xương cứng cáp hơn, trong khi đó cement chứa một vài liên kết nội với protein. Ngược lại, các tế bào xốp bao gồm các tế bào vô định hình như osteoblast và osteocyt, là những chất liên quan đến việc gãy và lành xương.
Phần vô cơ của xương gồm có pha tinh thể và pha vô định hình, được tạo thành từ tri-canxi photphat. Pha vô định hình có nhiều hơn ở thanh niên và bị chuyển hoá một phần thành pha tinh thể theo thời gian [26]. Khoảng 40%
trọng lượng xương của thanh niên được tìm thấy là HAp. Pha khoáng trong xương được đặt trong màng collagen có dạng hình kim hoặc hình vảy có chiều dài từ 10-60 nm, rộng khoảng 2-6 nm. Ngoài ra, xương chứa khoảng 20% trọng lượng là nước, có mặt hầu hết trong các mảng hữu cơ và có dưới dạng vết trong tinh thể HAp.
Răng chứa phần ngoài là chân răng, nướu răng (được bao bọc bởi lợi) và đầu răng vừa khít với các hốc của hàm răng. Các mô chính của răng là men răng, hàm răng và chất nám. Chân răng thường bị bao phủ bởi men răng, thường nằm ở mép răng và tồn tại dưới dạng mảng bám trên răng. Chất nám giúp cố định răng trong hốc. Giống như xương, răng được tạo bởi cả phần vô cơ và phần hữu cơ. HAp với các ion như Mg2+ và CO32-
là các thành phần vô cơ chính. Phần trăm trọng lượng của nó trong men răng, hàm răng và chất nám tương ứng là 95, 75 và 35%.
Không giống như các mô canxi hoá khác có hệ số cân bằng với chất lưu trong cơ thể, men răng cân bằng với nước bọt và do vậy sẽ tạo ra các chất phòng các bệnh về răng miệng, tránh bị sâu răng do vi khuẩn tấn công.
Răng thường cứng hơn xương là nhờ kích thước của tinh thể HAp tương đối to hơn so với trong xương. Chiều dài, rộng và độ dày trung bình của nó tương ứng là 60, 100 và 35 nm. Chủ yếu trong các mô này là các đám tinh thể HAp dày đặc có dạng hình que hoặc hình lăng trụ. Tuy nhiên, xương-bể chứa
14
khoáng của cơ thể, hoạt động hoá học và sinh học hơn so với men răng, men chỉ nhằm bảo vệ các lớp bên trong của răng.
Thành phần các chất có trong xương được thể hiện trong bảng 1.1 Bảng1.1. Phần trăm (%) về khối lượng của các chất trong xương [38]
Ca2+ 34,8 CO3
2- 7,4
P 15,2 F- 0,03
Ca/P(về số mol) 1,71 Cl- 0,13
Na+ 0,9 Và các chất dưới dạng vết như: Cu2+, Sr2+...
Mg2+ 0,72 Tổng chất vô cơ 65
K+ 0,03 Tổng các chất hữu cơ 25