HA dạng gốm xốp và dạng màng có nhƣợc điểm là có độ bền cơ học thấp. Để khắc phục nhƣợc điểm đó, một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm compozit. Tổ hợp này đƣợc tạo ra bằng cách phân tán HA bột vào các polyme hữu cơ nhƣ: maltodextrin, collagen, chitosan, xenlulo, đƣờng saccarozơ, tinh bột. Hơn nữa, sự có mặt của các polyme sẽ làm chất nền để các hạt HA phân bố đồng đều hơn, giảm hiện tƣợng kết tập giữa các hạt. Mạng lƣới cấu trúc của các polyme hạn chế sự phát triển của tinh thể HA nên sản phẩm thu đƣợc có kích thƣớc hạt nhỏ hơn HA đơn thuần.
Chính vì vậy, vật liệu ở dạng này có tính tƣơng thích sinh học cao hơn so với HA đơn thuần nên đƣợc sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xƣơng chất lƣợng cao, làm kẹp nối xƣơng hoặc có thể dùng làm chất dẫn truyền thuốc. Ngoài ra, việc gia công và chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn khi sử dụng các polyme sinh học làm chất nền trong sản phẩm HA. Mặt khác, các polyme này còn có khả
năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ƣu điểm vƣợt trội của vật liệu compozit chứa HA [28].
Vật liệu compozit của HA với polyme là vật liệu kết hợp đƣợc tính bền dai và mềm dẻo của polyme với độ bền và độ cứng của các chất khoáng. Ƣu điểm của compozit là làm tăng cƣờng khả năng tạo xƣơng bởi sự có mặt của HA và hạn chế sự di chuyển của các hợp chất canxi do đặc điểm liên kết của nền polyme [72].
Từ những năm 1980, compozit của HA và polyethylen đã phát triển [24, 48]. Compozit này vẫn thể hiện giòn dẻo sự chuyển hóa khi hàm lƣợng HA vƣợt 40 – 45%. Nhƣng nhƣợc điểm của chúng là chỉ có hoạt tính sinh học ở pha apatit và không phân hủy sinh học. Hơn nữa, sự có mặt của polyethylen kị nƣớc làm giảm khả năng liên kết với bề mặt xƣơng.
Compozit của HA và polylactic đƣợc tạo ra do sự phối trộn của bột HA với monome axit lactic trƣớc khi đa trùng ngƣng [76, 42]. Compozit này có độ bền kéo khoảng 10 – 30 MPa. Tuy nhiên, có một số tài liệu chỉ ra tính độc của sản phẩm phân hủy sinh học của vật liệu compozit này. Các sản phẩm mang tính axit làm thay đổi giá trị pH cục bộ tại vị trí cấy ghép dẫn đến sự viêm nhiễm.
Compozit của HA và polysulfon trong đó polysulfon là polyme y sinh có thể sử dụng để chế tạo vật liệu thay thế xƣơng với khả năng phân hủy sinh học và độ bền riêng cao [67].
Các vật liệu compozit của HA/collagen có tiềm năng cao cho mục đích thay thế xƣơng do chúng giống xƣơng về hoạt tính sinh học và khả năng phân hủy sinh học [23]. Các compozit này tƣơng tự với xƣơng tự nhiên về thành phần nhƣng chúng không thể có đƣợc trật tự cấu trúc phức tạp nhƣ xƣơng. Mặc dù, các tính chất cơ học còn kém nhƣng các compozit này tỏ ra có tính dẫn xƣơng cao và do vậy là vật liệu tiềm năng cho kỹ thuật mô xƣơng [47].
Gea và các đồng nghiệp đã chế tạo các vật liệu compozit HA/chitin chứa 25, 50 và 70% theo khối lƣợng HA [31]. Theo tài liệu [17], Khorb và các đồng nghiệp cũng chế tạo compozit này theo các phƣơng pháp có tỉ lệ trên khác nhau. Các vật liệu compozit của HA/chitin cho thấy không làm độc tế bào và có thể phân hủy sinh học
Ito và các đồng nghiệp đã chế tạo màng HA/chitosan và đánh giá các tính chất vật lí của chúng [45]. Tỷ lệ khối lƣợng HA/chitosan là 4/11 đƣợc công bố là có chất lƣợng thích hợp tối ƣu về mặt co ngót, tính chất kéo dãn, độ cứng, khả năng nhả ion canxi,… Sunny và các đồng nghiệp cũng đã nghiên cứu chế tạo các hạt tròn HA/chitosan cỡ micro làm vật liệu tiềm năng cho điền xƣơng và bao quanh răng [71].
Các loại compozit từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA đƣợc đầu tƣ nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xƣơng thay thế với tính chất sinh học và cơ học tốt hơn. Trong số các polyme tự nhiên có tính chất này thì collagen, gelatin và chitosan là những polyme đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong y sinh học. Đồng thời, cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào các compozit từ những polyme này với HA do chúng có nhiều tiềm năng đối với mục đích làm vật liệu cấy ghép xƣơng nhất là HA/collagen vì chúng tƣơng tự với xƣơng tự nhiên về thành phần, tuy không thể tạo đƣợc trật tự cấu trúc phức tạp nhƣ xƣơng [23, 53, 26].
1.3.2. Phương pháp chế tạo
Các vật liệu dạng khối xốp chứa HA thƣờng sử dụng phƣơng pháp compozit để chế tạo. Ở phƣơng pháp này, HA đƣợc sử dụng thƣờng ở dạng hạt và chất nền là các phân tử polyme. Một phƣơng thức đơn giản và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu đó là sự kết hợp của hạt HA với polyme. Có thể sử dụng các polyme nhƣ: polisaccarit, axit polylactic, polystiren, polyetilen, collagen, chitosan, xenlulozơ… Trong đó các polyme sinh học đƣợc đặc biệt quan tâm trong lĩnh vực y sinh vì chúng có tính tƣơng thích và phân hủy sinh học cao.
Nguyên tắc để chế tạo vật liệu compozit chứa HA là phân tán đều cation Ca2+ và OH- trong mạng lƣới polyme, sau đó anion PO43- đƣợc đƣa vào dƣới dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể (phƣơng pháp kết tủa trực tiếp). Cũng có thể chế tạo bằng phƣơng pháp trộn cơ học. Trong đó, thực hiện phản ứng tạo ra các tinh thể nano HA trƣớc, sau đó phân tán chúng vào mạng lƣới polyme nhằm ngăn không cho các tinh thể HA kết khối lại với nhau.
Các phƣơng pháp thƣờng dùng điều chế compozit kích thƣớc nano của HA/polyme thông dụng nhƣ sau:
- Phương pháp cơ nhiệt: kết hợp với sự nhúng tẩm gốm xốp sinh học
trong polyme hoặc kết hợp các hạt gốm sinh học vào một mạng polyme bằng các kĩ thuật chế tạo nhựa thông thƣờng. Quá trình chế tạo bao gồm các giai đoạn pha trộn, nghiền, gia nhiệt và nén hoặc đúc phun ép.
- Phương pháp hóa lí: kết hợp với sự kết tủa của các tinh thể vô cơ ngay trong môi trƣờng polyme hoặc phân tán các hạt gốm sinh học trong dung dịch polyme kèm theo quá trình hóa cứng. Đây là quá trình tạo các hạt nano HA trong sự có mặt của các polyme hữu cơ bằng cách đồng hòa tan, đồng kết tủa. Đây là một trong những cách thức đƣợc áp dụng nhiều nhất vì nó tránh đƣợc sự kết hợp thành các hạt lớn khi phƣơng pháp có sự dụng khuấy cơ để trộn lẫn polyme và HA bột nano. Đối với phƣơng pháp tổng hợp trực tiếp HA, ngƣời ta sử dụng các chất phản ứng để tạo Ca2+ bao gồm Ca(NO3)2, (CH3COO)2Ca, CaCl2, Ca(OH)2 … và để tạo ra ion PO43- là Na3PO4, , H3PO4 , Na2HPO4,…
Sau đây là một số quá trình tổng hợp compozit giữa HA và polyme:
- Compozit đƣợc chế tạo dựa trên cở sở phƣơng pháp đồng kết tủa HA và các polyme có nguồn gốc thiên nhiên nhƣ chitosan (Ch), collagen (Col) và gelatin (G). HA đƣợc hình thành trong nền polyme từ các tiền chất là các muối tan ở pH vừa phải 10 – 11. Ở giai đoạn đầu, compozit xuất hiện dƣới dạng gel và lơ lửng trong dung dịch sau đó đƣợc ly tâm và rửa để đƣa pH về trung tính và đƣợc sấy khô ở nhiệt độ phòng từ 50 đến 100oC. Các compozit đƣợc chế tạo nhƣ vậy thể hiện tính chất khác nhau ứng với cấu trúc và thành phần của chúng. HA phân tán trên nền polyme có kích cỡ 15 – 50 nm và phân bố phân tán hoặc theo từng cụm ứng với độ dài tinh thể của chúng. Các polyme trƣớc hết đƣợc hòa tan thành dung dịch loãng 0,1 – 0,5% theo khối lƣợng trong 1% thể tích axit axetic, sau đó đƣa vào các dung dịch canxi nitrat và natri dihydro photphat. Dung dịch ammoniac loãng đƣợc bổ sung dần vào hỗn hợp phản ứng, duy trì pH của hỗn hợp phản ứng từ 10 đến 12 và ở các điều kiện đó HA đƣợc hình thành. Sau đó huyền phù đƣợc tiếp tục khuấy thêm vài giờ để tạo các thành phần compozit. Bằng cách thay đổi tỉ lệ ban đầu của các polyme và các chất vô cơ ta thu đƣợc
các compozit với tỉ lệ kết hợp khác nhau. Compozit dƣới dạng gel thu hồi bằng cách ly tâm, rửa sạch cho đến pH trung tính. Sản phẩm compozit thu đƣợc bằng cách sấy ở nhiệt độ dƣới 100oC.
- Theo tài liệu [2], quá trình tổng hợp compozit của HA với chitosan (CS) có thể tóm tắt nhƣ sơ đồ sau:
Hình 1.22: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS
Khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng CS sẽ tốt hơn, do đó kích thƣớc của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn.
- Việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit giữa HA và maltodextrin từ Ca(OH)2 và H3PO4 cũng đã đƣợc điều chế theo hai phƣơng pháp một giai đoạn và hai giai đoạn. Phƣơng pháp một giai đoạn là phân tán Ca2+ vào dung dịch maltodextrin, sau đó đƣa ion PO43- và OH- theo tỉ lệ hợp thức vào phản ứng với Ca2+ để tạo kết tủa HA trong sự có mặt của maltodextrin. Phƣơng pháp hai giai đoạn là thực hiện phản ứng tạo HA giữa các ion Ca2+ với PO43- và OH- theo tỉ lệ mol Ca/P là 1,67; sau đó phân tán HA vào mạng lƣới maltodextrin [4].
- Chế tạo compozit HA và tinh bột từ Ca(NO3)2 và NH4H2PO4 đƣợc điều chế theo hai phƣơng pháp [18]:
+ Phương pháp 1: Điều chế HA trực tiếp trong môi trƣờng có tinh bột
CS Dung dịch axit axetic Dung dịch CS Bình phản ứng Kết tủa HAp Sản phẩm
Dung dich NaH2PO4
Dung dich CaCl2 1M
Thêm từ từ NaOH 1,25M Khống chế ở pH = 11
Tỷ lệ mol Ca/P = 1,67
+ Phương pháp 2: Trộn cơ học HA với tinh bột, trong đó bƣớc 1 là điều chế HA và bƣớc 2 kết tủa tinh bột trong môi trƣờng có sẵn HA
- Compozit của HA/tinh bột đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp kết tủa trực tiếp [8].
- Compozit của HA/chitin đƣợc Gea và các đồng nghiệp chế tạo với 25, 50 và 75% theo khối lƣợng HA. Hình 1.22 dƣới đây là sơ đồ chế tạo compozit HA/chitin, theo phƣơng pháp của Gea [31]:
Hình 1.23: Sơ đồ chế tạo compozit HA/chitin, theo phương pháp của Gea
- Vật liệu compozit HA/collagen đƣợc chế tạo theo phƣơng pháp đồng kết tủa của Kikuchi đƣợc thể hiện theo sơ đồ sau [47]:
Hình 1.24: Sơ đồ chế tạo compozit HA/collagen sử dụng phương pháp đồng kết tủa của Kikuchi
- Yamaguchi và các đồng nghiệp đã chế tạo compozit HA/chitosan bằng phƣơng pháp kết tủa trực tiếp với hàm lƣợng chitosan khác nhau trong môi trƣờng kiềm [79].
HAp trong LiCl, dung dịch N,N- dimethylacetaminde
Chitin khuấy trong 2 ngày Để lắng vào một khuôn Để dung môi bay hơi tự do Compozit của Chitin/HAp
Hoà tan Ca(OH)2 vào trong nƣớc
Kết tủa trực tiếp compozit bằng cách tăng pH lên đến 7,8
- 9
Già hóa compozit trong ít nhất 18 h Compozit thu đƣợc bằng
cách ly tâm Collagen từ da lợn đƣợc hòa
tan vào dung dịch H3PO4
Bình phản ứng, nhiệt độ: phòng, 30oC; 40oC
- Tài liệu [56] cũng chế tạo vật liệu compozit sinh học giữa HA và nền gelatin - tinh bột.
Vì vậy, để góp phần nghiên cứu tạo ra vật liệu compozit đề tài chọn nội dung là tổng hợp vật liệu compozit chứa HA trên nền tinh bột sắn và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng của sản phẩm:
- Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng tinh bột sắn; - Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ;
- Khảo sát ảnh hƣởng của tốc độ cấp axit;
- Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ chất phản ứng Ca(OH)2 và H3PO4; - Khảo sát ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn;
- Khảo sát ảnh hƣởng của dung môi rửa; - Khảo sát ảnh hƣởng của sóng siêu âm;
- Khảo sát ảnh hƣởng của điều kiện làm khô sản phẩm.
Việc khảo sát các đặc trƣng quan trọng của compozit HA/tinh bột sắn nhƣ: độ đơn pha, độ tinh thể, hình dạng, kích thƣớc… sẽ đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp XRD, FTIR, SEM, TEM, DTA – TGA.
Chúng tôi nghiên cứu vật liệu compozit HA/tinh bột sắn sẽ có định hƣớng ứng dụng trong thuốc bổ sung canxi. Tuy nhiên, trong luận văn chỉ nghiên cứu tổng hợp vật liệu và khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc trƣng của vật liệu, chƣa tập trung vào khảo sát các tính chất ứng dụng của vật liệu.
1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng của vật liệu compozit HA/tinh bột sắn bột sắn
1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD)
Để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu thƣờng sử dụng phƣơng pháp XRD. Phƣơng pháp XRD có thể xác định nhanh chóng và chính xác với độ tin cậy cao các pha tinh thể, định lƣợng pha tinh thể và kích thƣớc hạt của vật liệu.
Nguyên lí của phƣơng pháp này là dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thƣớc tinh thể lên phổ nhiễu xạ để xác định cấu trúc tinh thể. Trong không gian mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn theo một trật tự nhất định. Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài Å và 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 và một phần năng lƣợng của chúng chuyển thành bức xạ sóng điện từ hay là tia X gọi là bức xạ hãm. Khi
một chùm tia X có bƣớc sóng λ 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 là: 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 [79].
Hình 1.25: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X
Trong mạng lƣới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song và cách đều nhau một khoảng bằng d. Một chùm tia X có bƣớc sóng λ chiếu tới bề mặt của mạng lƣới tinh thể với một góc θ sẽ bị phản xạ trở lại (hình 1.25). 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 2θ. Khi hiệu số pha giữa các tia X phản xạ là 2nπ (với 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 kì trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau đƣợc tính bằng công thức:
Δ = 2.d.sinθ (1.10) Trong đó: d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song;
θ là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ; Δ là hiệu quang trình của hai tia phản xạ.
Từ (1.10) cho thấy, hiệu quang trình giữa hai tia bằng 2.d.sinθ, Bragg đã biểu diễn điều kiện để có hiện tƣợng nhiễu xạ bằng phƣơng trình:
2.d.sinθ = n.λ (1.11) Trong đó: d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song;
n là bậc phản xạ (n nguyên dƣơng); λ là bƣớc sóng của tia tới.
Để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể thì phƣơng trình (1.11) là phƣơng trình cơ sở. Trên giản đồ căn cứ vào giá trị cực đại (giá trị 2θ) có thể tính đƣợc d