Nghiên cứu chế tạo hydroxyapatit dạng gốm xốp từ vỏ trứng và đá vôi

Abstract: Nghiên cứu chế tạo gốm xốp HA đơn pha bằng phản ứng thuỷ nhiệt từ vỏ trứng và đá vôi tự nhiên.. Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, để góp phần tạo ra một loại vật liệu, định h

Abstract: Nghiên cứu chế tạo gốm xốp HA đơn pha bằng phản ứng

thuỷ nhiệt từ vỏ trứng và đá vôi tự nhiên Tìm hiểu cơ chế, thông số nhiệt động và xác định các điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian…) thích hợp của các phản ứng tạo HA xốp Khảo sát, đánh giá và so sánh

một số đặc trưng cơ bản của sản phẩm gốm xốp HA đã chế tạo được Keywords: Hóa vô cơ; Hydroxyapatite; Vỏ trứng; Đá vôi

Content

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Tính cấp thiết của đề tài

Canxi hydroxyapatit (hay còn được gọi là hydroxyapatit, viết tắt là HA) có công thức phân tử là Ca5(PO4)3(OH) hay Ca10(PO4)6(OH)2 HA hiện đang được nghiên cứu rộng rãi do có các đặc tính quý giá như: hoạt tính và khả năng tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người với

tỉ lệ Ca/P đúng như trong xương và răng

Việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu sinh học HA với mục đích thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương do bệnh lý và do tai nạn đang ngày càng rộng rãi Các chế phẩm HA ở những kích thước khác nhau có nhiều ứng dụng Ở dạng bột, HA kích thước nano (20-100 nm) dùng làm

2

thuốc và thực phẩm bổ sung canxi, tăng cường khả năng hấp thụ canxi của cơ thể, ngăn ngừa và điều trị bệnh loãng xương. Ở dạng màng, một lớp HA mỏng, siêu mịn có thể tạo nên lớp men răng, các chi tiết nối xương và lớp phủ

bề mặt cho xương nhân tạo HA dạng khối xốp có thể dùng điền đầy các hốc răng sâu và các vết rạn nứt ở xương tự nhiên, làm xương nhân tạo mà không

bị cơ thể đào thải Gần đây, người ta còn phát hiện dạng HA xốp tự nhiên dựa trên khung xốp sẵn có của mai mực, san hô, vỏ trứng, đá vôi… có khả năng tương thích tốt với cơ thể được cấy ghép Chúng còn có khả năng vận chuyển

và phân tán một số loại thuốc như insulin, vitamin, bảo vệ được dược phẩm tránh khỏi tương tác với tác nhân khác trên đường vận chuyển trong cơ thể, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thuốc

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, sử dụng vật liệu HA cho mục đích y sinh học chưa được quan tâm nhiều Từ năm 2005, Phòng Hoá Vô cơ (Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu tổng hợp HA bột và HA xốp

Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, để góp phần tạo ra một loại vật liệu, định hướng ứng dụng trong dược học và y sinh học, đặc biệt là trong

phẫu thuật chỉnh hình ở nước ta, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế

tạo hydroxyapatit dạng gốm xốp từ vỏ trứng và đá vôi ”

2 Tình hình nghiên cứu

Đây không phải là đề tài mới Tác giả thực hiện đề tài trên cơ sở các công trình đã được công bố trước đây tại phòng Hóa Vô cơ, Viện Hóa học, Viện KH&CN Việt Nam như:

- Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2007), Tổng hợp và khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt hydroxyapatit bằng phương pháp kết tủa hoá học, Tạp chí Hoá học, 45(6A), tr.21-25

- Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2008), Nghiên cứu chế tạo HA từ khung xốp tự nhiên của mai mực bằng phản ứng thủy nhiệt,

Tạp chí Hóa học, 46(2A), tr.118-123

3

- Vũ Duy Hiển (2010), Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng hóa lý của

hydroxyapatit dạng gốm xốp có khả năng ứng dụng trong y sinh học, Luận án

Tiến sĩ Hóa học, Viện Hoá học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2007), Tổng hợp bột hydroxyapatit kích thước nano bằng phương pháp kết tủa hoá học, Tạp chí

Hoá học, 45(2), tr.147-151

…

Đề tài của tác giả cung cấp một hướng mới cho việc nghiên cứu chế tạo

vật liệu HA bằng phương pháp thủy nhiệt từ hai nguyên liệu là vỏ trứng và đá

vôi

3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu chế tạo HA dạng gốm xốp, đề tài tập

trung vào những vấn đề sau:

- Nghiên cứu chế tạo gốm xốp HA đơn pha bằng phản ứng thuỷ nhiệt

từ vỏ trứng và đá vôi tự nhiên;

- Tìm hiểu cơ chế, thông số nhiệt động và xác định các điều kiện (nhiệt

độ, áp suất, thời gian…) thích hợp của các phản ứng tạo HA xốp;

- Khảo sát, đánh giá và so sánh một số đặc trưng cơ bản của sản phẩm

gốm xốp HA đã chế tạo được

4 Phương pháp nghiênn cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp vật lý hiện đại để khảo sát, đánh

giá chất lượng sản phẩm thu được

- Phương pháp nhiễu xạ tia X

- Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR

- Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM

- Phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA

- Phương pháp phân tích nhiệt trọng-lượng TGA

5 Những đóng góp mới của luận văn

4

Luận văn đưa ra một hướng mới trong nghiên cứu chế tạo vật liệu HA

ở nước ta là sử dụng hai nguyên liệu vỏ trứng và đá vôi Đây là những vật liệu sẵn có và rẻ tiền

6 Bố cục của luận văn

Hydroxyapatit (HA): Ca10(PO4)6(OH)2;

Khối lượng phân tử: 1004,60 g;

Tỷ trọng riêng: 3,156 g/cm3

; Nhiệt độ nóng chảy: 1760o

5

Hình 1.1: Các dạng tinh thể HA [21]

a - hình kim; b- hình cầu; c - hình vảy; d - hình que

1.1.2 Tính chất hoá học

Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3 Phân tử

HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca-O là liên kết cộng hoá trị Hai nhóm OH- được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [55]

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA

1.1.3 Tính chất sinh học

Vật liệu HA có tính tương thích sinh học cao với các mô và các tế bào,

dễ liên kết trực tiếp với xương non và không bị cơ thể đào thải

1.2 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HYDROXYAPATIT

Các dạng HA ở các kích thước khác nhau có nhiều ứng dụng trong y sinh học và phẫu thuật chỉnh hình như chế tạo răng giả, sữa chữa các khuyết

tật của xương, làm mắt giả, làm chất truyền dẫn thuốc

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HYDROXYAPATIT

Việc nghiên cứu chế tạo các chế phẩm từ vật liệu HA ở các dạng khác nhau đã được tiến hành từ lâu trên thế giới và đã đạt được những thành tựu

6

đáng kể Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia thành: phương pháp hóa học

được dùng để tổng hợp HA dạng bột với kích thước khác nhau

1.3.1.1.1 Phương pháp kết tủa

1.3.1.1.2 Phương pháp sol-gel

1.3.1.1.3 Phương pháp siêu âm hoá học

1.3.1.1.4 Phương pháp phun sấy

1.3.1.1.5 Phương pháp điện hoá

1.3.1.1.6 Phương pháp phản ứng thuỷ nhiệt

1.3.1.1.7 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit

đó sấy và thiêu kết tạo gốm Sản phẩm này đã được thử nghiệm thành công bước đầu trên động vật Khoa Hoá học (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp HA dạng bột và dạng màng Từ năm 2005 đến nay, Phòng Hoá Vô cơ (Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã công bố một số kết quả tổng hợp HA bột kích thước nano và HA xốp bằng các phương pháp khác nhau Tuy vậy, việc nghiên cứu chế tạo HA nói chung

và HA có cấu trúc xốp tự nhiên và cấu trúc xốp nhân tạo chưa được đề cập đầy đủ và có hệ thống

- Muối (NH4)2HPO4 có độ tinh khiết PA (Trung Quốc);

- Dung dịch 25% NH3 trong nước (PA);

- Vỏ trứng (có hàm lượng CaCO3 dạng canxit khoảng 97-99%) được bóc sạch lớp màng, cắt thành những miếng nhỏ kích thước 1x1 mm Sau đó, được đun sôi nhiều lần bằng nước cất và etanol để loại bỏ các tạp chất cơ học

và hữu cơ, rồi sấy khô ở nhiệt độ 100oC trong 24 giờ

- Đá vôi tự nhiên (có hàm lượng CaCO3 dạng canxit khoảng 97-99%) được nghiền thành các viên nhỏ, kích thước khoảng 1x1x1 mm Sau đó, đun sôi nhiều lần bằng nước cất và và etanol để loại bỏ các tạp chất cơ học và hữu

cơ, rồi sấy khô ở nhiệt độ 100oC trong 24 giờ

9

2.2 QUY TRÌNH TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG

Việc chế tạo HA từ vỏ trứng và đá vôi được tiến hành theo 2 hướng:

- Hướng phản ứng trực tiếp dùng CaCO3;

- Hướng phản ứng gián tiếp qua giai đoạn trung gian phân huỷ CaCO3 của vỏ trứng (đá vôi) thành CaO

Sơ đồ nguyên lí của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt như hình 2.1

Các chất phản ứng được đưa vào cốc teflon Áp suất của hệ được điều chỉnh bằng khí nitơ thông qua bình ổn áp Ở nhiệt độ cao, phản ứng thuỷ nhiệt diễn ra theo phương trình:

- Trong phản ứng trực tiếp:

10CaCO 3 + 6(NH 4 ) 2 HPO 4 + 2H 2 O → Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 6(NH 4 ) 2 CO 3 + 4H 2 CO 3 (2.1)

- Trong phản ứng gián tiếp:

10CaO + 6(NH 4 ) 2 HPO 4 + 4H 2 O → Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 12NH 4 OH (2.2)

Đây là phản ứng dị thể giữa hai pha lỏng-rắn, sản phẩm phụ của phản ứng là khí NH3, H2O và CO2 Để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (hướng tạo

ra HA), khí NH3 và H2O tạo thành sau phản ứng được hấp thụ bằng axit

H2SO4 đậm đặc đặt trong bình ổn áp Ngoài ra, việc tiến hành phản ứng trong bình kín và áp suất cao cũng có tác dụng ngăn cản sự phân huỷ của muối (NH4)2HPO4 trước khi tham gia phản ứng với CaCO3 (CaO) Trong phương pháp thuỷ nhiệt, phản ứng được thực hiện trong môi trường nước ở nhiệt độ

và áp suất cao nhằm thúc đẩy nhanh phản ứng dị thể Nước trong phản ứng dị thể có các chức năng làm môi trường truyền áp suất nhằm tạo năng lượng cho phản ứng và làm dung môi hoà tan một phần chất phản ứng Do đó, phản ứng

dị thể sẽ xảy ra ở bề mặt phân cách giữa pha lỏng và rắn

Các thí nghiệm được tiến hành trong thời gian, nhiệt độ và áp suất khác nhau để xác định điều kiện thích hợp của phản ứng

Các sản phẩm sau phản ứng được xác định một số đặc trưng cơ bản bằng các phương pháp: nhiễu xạ tia X (XRD), hấp thụ hồng ngoại (FTIR), phân tích nhiệt (DTA, TGA) và hiển vi điện tử quét (SEM)

C, áp suất 14 atm, thời gian phản ứng 96 và 135 giờ Các sản phẩm sau phản ứng được khảo sát bằng các phương pháp đã nêu

- Phương pháp phản ứng gián tiếp

Vỏ trứng (đá vôi) sau khi làm sạch được nung ở nhiệt độ 900o

C trong 1 giờ để đảm bảo CaCO3 phân huỷ hoàn toàn thành CaO theo phương trình: CaCO3  CaO + CO2 (2.3)

Tiến hành phản ứng thuỷ nhiệt ngay sau khi nung để giữ nguyên cấu trúc xốp của CaO Cân 15,55 g CaO và 22,67 g tinh thể (NH4)2PO4 đã được tính toán theo phương trình 2.2

Hỗn hợp rắn này được đưa vào cốc teflon, thêm khoảng 1ml nước Khảo sát các yếu tố thời gian, nhiệt độ, áp suất và lượng nước để xác định điều kiện phản ứng thích hợp Các sản phẩm sau phản ứng cũng được xác định bằng các phương pháp đã nêu

Một số đặc trưng cơ bản (XRD, FTIR, TGA, SEM) của vật liệu sau phản ứng được so sánh với mẫu HA chuẩn của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) [20]

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU HYDROXYAPATIT

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.3.2 Phương pháp hồng ngoại (FTIR)

2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

2.3.4 Phương pháp phân tích nhiệt

11

2.3.4.1 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA)

2.3.4.2 Phương pháp phân tích nhiệt-trọng lượng (TGA)

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 ĐẶC TRƯNG CỦA VỎ TRỨNG VÀ ĐÁ VÔI TỰ NHIÊN

3.1.1 Một số đặc trưng của vỏ trứng

Khung xốp của vỏ trứng chứa đến 97-99% khối lượng là CaCO3

Hình 3.1: Đặc trưng XRD (a) và

đặc trưng nhiệt-trọng lượng TGA (b) của vỏ trứng

Hình 3.2: Ảnh SEM của vỏ trứng với độ phóng đại khác nhau

Ảnh SEM (hình 3.2) của vỏ trứng cho thấy chúng có các lớp mỏng xếp

chồng khít lên nhau, giữa các lớp này không có biên rõ rệt và không sắp xếp

12

theo một trật tự nhất định Bề mặt vỏ trứng lồi lõm và có một số lỗ xốp không

có hình dạng đặc trưng, phân bố không đều, kích thước thay đổi từ 50 đến 100

nm

3.1.2 Một số đặc trƣng của đá vôi tự nhiên

Hình 3.3: Giản đồ XRD (a)

và đặc trưng nhiệt-trọng lượng TGA (b) của đá vôi

Giản đồ XRD (hình 3.3a) cho thấy đá vôi cũng có thành phần là CaCO3 dạng canxit bền nhiệt giống như vỏ trứng

Hình 3.4: Ảnh SEM của đá vôi tại các vị trí khác nhau

Ảnh SEM (hình 3.4) ở các vị trí khác nhau thể hiện đá vôi có cấu trúc gồm các lớp xếp chồng khít lên nhau, giữa các lớp này không có biên và sắp

13

xếp không theo một trật tự nhất định Khác với vỏ trứng, bề mặt các lớp của

đá vôi đặc khít, khá bằng phẳng, không có khe hở hoặc lỗ xốp Điều này có thể gây khó khăn cho phản ứng thủy nhiệt trực tiếp

Phản ứng thuỷ nhiệt trực tiếp từ CaCO3 diễn ra theo phương trình 2.1: 10CaCO3 + 6 (NH4)2HPO4 + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3

Phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ 200oC, áp suất 14 atm trong thời gian 96 giờ

Hình 3.5: Giản đồ XRD của mẫu nhận được sau phản ứng trực tiếp

từ vỏ trứng (a) và đá vôi (b) trong 96 giờ

Kết quả XRD của hai mẫu (hình 3.5) cho thấy, ở cả hai trường hợp, sản phẩm thu được chủ yếu vẫn là CaCO3 dạng canxit, mặc dù thời gian phản ứng kéo dài đến 96 giờ

Song song với thí nghiệm trên, phản ứng trực tiếp giữa vỏ trứng (đá vôi) đã nghiền thành bột mịn với tinh thể (NH4)2HPO4 được tiến hành với thời gian đến 135 giờ

14

Hình 3.6: Giản đồ XRD của mẫu thu được sau phản ứng trực tiếp

của vỏ trứng (a) và đá vôi (b), thời gian 135 giờ

Kết quả XRD của hai mẫu (hình 3.6) cho thấy vẫn chỉ hình thành một lượng HA rất nhỏ sau phản ứng với vỏ trứng Còn với đá vôi thì hoàn toàn không xuất hiện HA

Như vậy, có thể kết luận rằng do CaCO3 dạng canxit với cấu trúc đặc khít của vỏ trứng và đá vôi tự nhiên nên không chế tạo được HA bằng phản ứng thuỷ nhiệt trực tiếp trong điều kiện áp suất 14 atm và 200oC với thời gian đến 135 giờ

Do đó, chúng tôi lựa chọn phương pháp tiến hành phản ứng gián tiếp qua giai đoạn trung gian phân huỷ CaCO3 thành CaO

3.3 PHẢN ỨNG THỦY NHIỆT CHẾ TẠO HA THÔNG QUA HỢP

CHẤT TRUNG GIAN CaO

15

3.3.1 Một số đặc trƣng của vỏ trứng và đá vôi sau khi phân huỷ

Hình 3.7: Ảnh SEM của CaO từ vỏ trứng (a) và đá vôi (b)

Hình 3.7 là ảnh SEM của CaO thu được từ vỏ trứng (a) và đá vôi (b)

sau khi nung phân huỷ ở 900oC trong 1 giờ Cấu trúc của vỏ trứng và đá vôi

đã thay đổi rõ rệt, trở nên xốp hơn rất nhiều

Điều này giúp phản ứng thuỷ nhiệt tạo HA thông qua CaO có thể diễn

ra dễ dàng hơn phản ứng trực tiếp

Phản ứng thủy nhiệt xảy ra giữa CaO với tinh thể (NH4)2HPO4 diễn ra

theo phương trình tổng quát 2.2 sau:

10CaO+ 6(NH4)2HPO4 + 4H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH

3.3.2 Xác định điều kiện phản ứng thích hợp

3.3.2.1 Chế tạo HA xốp từ vỏ trứng bằng phản ứng gián tiếp

- Xác định thời gian phản ứng

Hình 3.9 là giản đồ XRD của các mẫu nhận được khi thực hiện phản

ứng theo phương trình 3.1, ở điều kiện: nhiệt độ 200oC, áp suất 14 atm trong

thời gian 8, 15, 24 và 48 giờ

16

Hình 3.9: Giản đồ XRD của các mẫu nhận được từ vỏ trứmg

sau phản ứng gián tiếp với thời gian tổng hợp khác nhau

Tinh thể của HA kết tinh tốt hơn theo thời gian và sau 24 giờ các vạch đặc trưng gần như đã tách biệt hoàn toàn Giản đồ XRD của HA nhận được với thời gian phản ứng 24 giờ và 48 giờ không có sự khác biệt nhau nhiều

Từ giản đồ XRD có thể tính toán được kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của các hạt HA từ vỏ trứng theo các công thức 2.3 và 2.4 Các kết quả được trình bày trong bảng 3.1

Bảng 3.1 : Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến kích thước hạt trung bình

và độ tinh thể của các mẫu từ vỏ trứng

theo Scherrer

Độ tinh thể (%)

17

Như vậy, kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của các mẫu HA từ

vỏ trứng tăng mạnh khi thay đổi thời gian phản ứng từ 15 đến 24 giờ Kéo dài thêm thời gian phản ứng từ 24 lên 48 giờ không làm kích thước hạt trung bình

và độ tinh thể tăng nhiều

- Xác định áp suất phản ứng

Thí nghiệm được thực hiện trong trong khoảng áp suất từ 6-14 atm

Hình 3.10: Giản đồ XRD của các mẫu tổng hợp từ vỏ trứmg

với thời gian 24 giờ ở áp suất khác nhau

Hình 3.10 là giản đồ XRD của mẫu HA xốp tổng hợp bằng phản ứng thuỷ nhiệt gián tiếp từ vỏ trứng ở nhiệt độ 200oC, thời gian phản ứng là 24 giờ với áp suất thay đổi 6, 10, 12 và 14 atm

Khi áp suất tăng đến 12-14 atm, các ion PO4

và OH- dễ dàng khuếch tán qua lớp biên lỏng-rắn để phản ứng với CaO, tạo thành HA Đồng thời, ở nhiệt độ 200oC và áp suất cao (12-14 atm) ngăn cản quá trình bay hơi của nước, dẫn đến phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra hoàn toàn, tinh thể của HA kết tinh tốt hơn so với ở áp suất thấp

V-14 atm V-12 atm

18

Giản đồ XRD của HA nhận được khi phản ứng ở áp suất 12 và 14 atm

không có sự khác biệt nhiều

Bảng 3.2 : Ảnh hưởng của áp suất phản ứng đến kích thước hạt trung bình

và độ tinh thể của các mẫu từ vỏ trứng

theo Scherrer

Độ tinh thể (%)

Kết quả tính toán trên bảng 3.2 cho thấy kích thước hạt trung bình tăng mạnh (từ 57,9 lên 72,6 nm), còn độ tinh thể tăng nhẹ (từ 72 đến 74%) khi tăng

áp suất phản ứng từ 12 lên 14 atm

Như vậy, điều kiện nhiệt độ 200oC, thời gian 24 giờ và áp suất 12-14 atm là thích hợp để phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra hoàn toàn

19

Hình 3.11: Giản đồ XRD của các mẫu từ vỏ trứng

tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau

Giản đồ của mẫu tổng hợp ở 200 và 250o

C cho thấy mẫu kết tinh tốt

Kết quả tính toán kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của các mẫu

dưới ảnh hưởng của nhiệt độ được trình bày trong bảng 3.3

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến kích thước hạt trung bình

và độ tinh thể của các mẫu từ vỏ trứng

theo Scherrer

Độ tinh thể (%)