Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2

ĐẶT VẤN ĐỀ

Apatit là họ khoáng photphat của canxi có công thức chung là

Ca10(PO4)6M2, gồm bốn dạng thường được nhắc đến là hyđroxyapatit, floroapatit, cloro apatit và bromo apatit với M = OH, F, Cl, Br tương ứng Trongbốn dạng này, hyđroxyapatit (viết tắt là HA) đang được tập trung nghiên cứu

do các đặc tính quý giá như có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao vớicác tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinhxương nhanh mà không bị cơ thể đào thải [22], [23]… HA có cấu trúc tinh thểthuộc dạng lục phương hoặc dạng đơn tà Do có cùng bản chất hoá học và cấutrúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người và

có tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng

Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêumịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sátcác đặc tính của chúng để mở rộng khả năng ứng dụng

Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thướcnano (trong khoảng 20 – 100nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của

cơ thể HA bột dạng vi tinh thể cùng với một số khoáng chất bổ sung khác đãđược dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng

bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương…

Ở dạng màng, một lớp màng HA mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thểtăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên

HA dạng khối xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương

và răng Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA dạng khối xốp bền trong cácdịch sinh lý của cơ thể và có tác dụng nhả chậm các dược chất đi kèm với nó[25], [26]

Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học nóichung và dược phẩm nói riêng đã được quan tâm từ lâu Tuy nhiên, việc ứngdụng các vật liệu vô cơ trong y sinh học và dược học còn nhiều hạn chế Từnăm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (ViệnKH&CN Việt Nam) đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HAdạng bột [5] và dạng xốp [27] hướng đến ứng dụng trong dược học và y sinhhọc.

Để góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo HA kích thước nano ứng dụng

trong y sinh học và dược học, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố

Các đặc trưng quan trọng của bột HA như độ đơn pha, độ tinh thể, hìnhdạng, kích thước hạt… có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả sử dụng Do vậy,trên cơ sở tổng hợp bột HA kích thước nano, luận văn tập trung vào khảo sátcác yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (độ đơn pha, độ tinh thể, kíchthước hạt…) theo những nội dung sau:

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit

- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng ban đầu

- Khảo sát ảnh hưởng của các loại dung môi trong hỗn hợp phản ứng(nước, etanol, hỗn hợp etanol + nước)

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn

- Nghiên cứu sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được, lựa chọn các thông số côngnghệ cho quy trình sản xuất HA

Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que,hình kim, hình vảy,… [29] Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặcTEM có thể nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1).

Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA

(a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu(d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim

HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạngđơn tà (monoclinic) HA dạng lục phương thường được tạo thành trong quátrình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 1000C, còn dạng đơn tà chủ yếu được sinh

(a)

(f)

ra khi nung dạng lục phương ở 8500C trong không khí sau đó làm nguội đếnnhiệt độ phòng Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàntoàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ Chúng chỉ khác nhau vềcường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic củadạng lục phương khoảng 1% [14]

Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH

-được sắp xếp như hình 1.2a Ô mạng này có dạng hình lục phương , thuộcnhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417nm, b = 0,9417nm

và c = 0,6875nm, α = β = 900 và γ = 1200 [30] Đây là cấu trúc thường gặp của

HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [31]

Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ômạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm không gian P21/b (hình 1.2b) Các hằng sốmạng lần lượt có giá trị: a = 0,9421nm, b = 1,8843nm và c = 0,6881nm, α = β

= 900 và γ = 1200 [32]

Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3, có thểnhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kếtcộng hoá trị Hai nhóm OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch[35]:

Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA

1.1.2 Tính chất hoá học

 HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thànhcác muối canxi và nước:

Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl  3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1)

 HA 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, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2

(β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO:

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)

1.1.3 Tính chất sinh học [35]

 Như đã trình bày ở trên, do có cùng bản chất và thành phần hoáhọc, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinhhọc cao Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA 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, HA có thành phần hoá học và các đặctính 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 tươngthích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kếttrực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể

đào thải Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơthể người và có tính sát khuẩn cao.

 Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnhhưởng của dung dịch axit trong dạ dày Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAđược cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản Vìnhững đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sungcanxi với hiệu quả cao

Để chế tạo vật liệu HA 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 dụngtrong y sinh học và dược học

Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [38],[39]

Khi mới sinh ra, xương có tỷ lệ collagen nhiều và tỷ lệ khoáng ít Cànglớn lên, tỷ lệ khoáng càng tăng lên, xương càng trở nên giòn, dễ gãy Trongxương người trẻ tuổi thì các pha vô định hình chiếm ưu thế và chỉ có mộtphần chuyển hoá thành pha tinh thể, còn ở người trưởng thành thì đến 70%khối lượng của xương là HA HA có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng

10  15nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40  60% gồm các mao quảnthông nhau tạo ra phần khung của xương [7] Do có hoạt tính sinh học, có khảnăng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HA cóthể được dùng để nối ghép, thay thế xương trong cơ thể người Các phẫu thuật

ghép xương, chỉnh hình đã đạt được nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu ysinh HA

Một vấn đề lớn khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh loãng xương.Mặc dù không gây tử vong nhưng bệnh loãng xương ảnh hưởng rất nhiều đếnchất lượng cuộc sống của số đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ Theothống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có đến 1/3 phụ nữ và 1/5 namgiới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xương Dự báo tới năm 2050, toàn thế giới sẽ

có tới 6,3 triệu trường hợp gãy cổ xương đùi do loãng xương và 51% số này

sẽ ở các nước châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hàng ngày còn rất thiếu canxi vàviệc chẩn đoán sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xương còn gặp rất nhiềukhó khăn Ở Mỹ, ngành y tế đã phải tiêu tốn hàng năm khoảng 14 tỉ USD đểđiều trị cho 1,5 triệu trường hợp gẫy xương do bệnh loãng xương gây ra [4].Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HA tuỳ theo dạng tồn tại của nó

1.2.1 Ứng dụng của HA bột

 Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấpnên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi.Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nênkhả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp vớivitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA Cóthể bổ sung canxi cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặctruyền huyết thanh… Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bộtmịn, kích thước nano để bổ sung canxi [40] Với kích thước cỡ 20 – 100nm,

HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm

 Canxi ở dạng ion có vai trò rất quan trọng trong nhiều hoạt động của

cơ thể người như tham gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh, giảiphóng các hooc môn và đông máu Ngoài ra nó còn tham gia vào quá trìnhđiều hoà nhiều enzym khác nhau trong cơ thể [9]

 Đối với bột HA có kích thước hạt khoảng 150nm trở lên, quá trìnhthiêu kết để tạo gốm HA rất khó khăn Quá trình kết khối diễn ra ở nhiệt độkhá cao (1000 – 12000C) trong thời gian dài (2 – 3 giờ), làm cho gốm HA bịphân huỷ thành các hợp chất không mong muốn, có hại cho cơ thể Với kíchthước nano (từ 20 – 100nm), nhiệt độ kết khối của HA bột giảm xuống chỉcòn khoảng 800 – 10000C trong thời gian từ ½ giờ đến 1 giờ Điều này làmcho việc chế tạo gốm y sinh học từ HA có chất lượng cao, thuận lợi và dễdàng hơn.

Hình 1.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổsung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hànhtrên thị trường [40]

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể

1.2.2 Ứng dụng của HA dạng màng

Thông thường, người ta sử dụng các vật liệu bền cơ – hoá và nhẹ để thaythế, sửa chữa những khuyết tật của xương và răng Phổ biến nhất là hợp kimTi6Al4V, đây là vật liệu trơ sinh học và có độ bền cơ – hoá cao nhưng trongthực tế nó vẫn bị ăn mòn khi nằm trong cơ thể người, tạo ra các chất độc hại

và làm cho liên kết giữa xương và chi tiết ghép bị lỏng lẻo [42]

Lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ µm được phủ lên bề mặt vật liệuthay thế bằng các phương pháp plasma, bốc bay, điện phân… đã hạn chếnhững nhược điểm nêu trên Nhưng độ bám dính của lớp màng trên vật liệu

nền không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng khôngcao [43]

Để cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kimnền một lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n – HA) bằngphương pháp điện hoá nói chung và phương pháp điện di (ElectrophoreticDeposition, EPD) Lớp màng n – HA có độ bám dính cao với vật liệu nền (>60MPa) và rất bền theo thời gian Công nghệ màng n – HA đã tạo ra nhữngchi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mô tự nhiên, cótính tương thích sinh học cao với cơ thể con người

Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n – HA, người ta không chỉ làmtăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của màng n– HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông đã tiến đến có thể ứng dụngghép xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa, thay thế xương ở vị tríkhác

- Chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoahoc Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thểkích thước nano và polymer sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răngtheo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứngchắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới[45]

Giai đoạn a: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷbởi dung dịch H2O2 + H3PO4 Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chấtbẩn tồn tại trên răng.

Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- trong các polime sinh học dạng bộtnhão tạo thành vi tinh thể HA kích thước nano Hỗn hợp này được phủ lên bềmặt răng cũ để tạo thành lớp men răng mới

- Chế tạo mắt giả [46]:

Hình 1.6: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả

HA xốp tổng hợp từ san hô có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là

có khả năng thích ứng cao với cơ thể Việc sử dụng loại vật liệu này đã khắcphục được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơthể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả [49]

- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật củaxương [50]:

Hình 1.5: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng

Hình 1.7: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau

Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo

ra các sản phẩm gốm HA (Hình 1.7) có kích thước và độ xốp khác nhau [51].Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sửdụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [35]

Hình 1.8: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA

dạng khối xốp hoặc dạng hạt

Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như:

- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [52]

- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [54]

- Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển vàphân tán insulin trong ruột [55]

Tuy nhiên, gốm HA còn có một nhược điểm là độ bền nén, độ bền uốnthấp Tồn tại này cản trở viêc áp dụng gốm HA vào các chi tiết đòi hỏi chịulực lớn

1.2.4 Ứng dụng của HA dạng composit

Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp Một giảipháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composit bằng cáchphân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo,đường sacaro… [51] Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấyghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyềndẫn thuốc Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện choviệc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn Mặt khác, các polyme này còn

có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức củamình Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA [58]

1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu HA

1.3.1 Trên thế giới

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiêncứu nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo HA như: dạng bột được điềuchế bằng phương pháp sol – gel [59], kết tủa [60], phun sấy [61], siêu âm [20]

…; dạng màng - bằng phương pháp vật lý [62] hoặc điện hoá [63]…; dạngkhối rắn, khối xốp, vật liệu tổ hợp (composit) - bằng phương pháp nén ép –thiêu kết HA bột [6], phản ứng pha rắn, phản ứng thuỷ nhiệt…[58]

Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất được nhiều chế phẩm từ nguyên liệu

HA Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghépxương bằng gốm chứa 100% HA [67] Thực tế cho thấy, sự phát triển củaxương trong miếng ghép này có tốc độ phát triển chậm Điều này tạo cho chấtlượng của xương ở nơi cấy ghép rất tốt, nhưng thời gian điều trị kéo dài Bằngnhững thí nghiệm khác, họ đã cấy ghép các chi tiết gốm chứa 100% β - TCP.Kết quả cho thấy, tốc độ phát triển của xương non trong miếng ghép rấtnhanh, do vậy làm cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép không tốt choquá trình phát triển của xương

Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tổ hợp giữahai pha HA và β -TCP Trong thực tế, gốm HA tốt bao gồm khoảng 93 – 94%

HA và 6 – 7% TCP TCP có hai dạng thù hình là α và β TCP, thành phần α TCP có tác dụng làm tăng tốc độ tái sinh xương, nó như là nguồn khoángcung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xương mới Điều này có nghĩa rằng phần

-β -TCP sẽ tiêu biến dần như là nguồn cung cấp khoáng cho xương non pháttriển vào chỗ khuyết xương Do đó gốm tổ hợp HA - β - TCP là vật liệu ysinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửachữa xương

Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dượcphẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩmchức năng Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đãđược lưu hành trên thị trường Trong số đó có thể kể đến Ossopan của Pháp,Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex củaAnh, SuperCal của New Zealand [69]

Như trong phần ứng dụng đã đề cập, HA dạng màng đã được các nhàkhoa học Nhật Bản chế tạo thành vật liệu chế tạo răng giả và sửa chữa nhữngkhuyết tật của răng

1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam

Trong nước, các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinhhọc nói chung và HA nói riêng còn nhiều hạn chế

Năm 2005, lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chếthử gốm HA theo công nghệ của Italia và đã bước đầu thử nghiệm thành côngtrên động vật [3] Công nghệ này dựa trên phương pháp nhúng tẩm khung xốphữu cơ xenlulô vào dung dịch huyền phù HA, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt

độ cao Khoa Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và công bốkết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp bột và màng gốm HA [6]

Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ ViệtNam đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột [5] và HA xốp[27] Trong đó HA xốp được chế tạo bằng phương pháp nén ép - thiêu kết HAbột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đường sacaro và phương phápphản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2 Việc chế tạo gốm HA từ khungxốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt ở ápsuất cao cũng đã được thực hiện.

Năm 2008, Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ đã nghiên

cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo gốm sinh học Calcium phosphate: Hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HA) và Tricalicium phosphate

Ca 3 (PO 4 ) 2 (TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con người”

1.4 Các phương pháp tổng hợp HA

Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã đượctriển khai từ lâu và đã đạt được những thành tựu đáng kể Các nghiên cứu tậptrung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạngmàng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng caokhả năng ứng dụng của chúng Việc ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo

ra những bước tiến mới trong các lĩnh vực: xét nghiệm, điều trị y học cũngnhư trong dược phẩm và vật liệu y sinh học

Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thểđược tổng hợp bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau Dựavào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phương pháp thành:phương pháp ướt và phương pháp khô; phương pháp vật lý và phương pháphoá học hoặc chia theo dạng tồn tại (dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp) củasản phẩm HA Trong luận văn này chúng tôi trình bày các cách chế tạo HAtheo phương pháp ướt và phương pháp khô

1.4.1 Phương pháp ướt

Đây là phương pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dungdịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa,phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy… Nói chung, ưu điểm củaphương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HA theo mongmuốn

Trong hệ CaO – P2O5 – H2O, tồn tại các hợp chất canxi photphat khácnhau tuỳ thuộc vào tỷ lệ của các chất ban đầu và điều kiện áp suất, nhiệt độ,

độ pH… Áp dụng các quy tắc pha vào giản đồ pha CaO – P2O5 – H2O, năm

1996, T S B Narasaraju và D E Phebe [30] đã tiến hành nghiên cứu sự tạothành của các pha khác nhau có trong hệ là: anhydric mono canxi photphat –Ca(H2HO4)2, mono canxi photphat monohydrat – Ca(H2PO4)2.H2O Trên hình1.9, có thể nhận thấy các pha lỏng tồn tại ở vùng trống, các pha rắn nằm ởvùng elip còn lại Anhydric mono canxi photphat – Ca(H2PO4)2 và các monohydrat của nó tồn tại dưới dạng tinh thể trong vùng axit, tức là vùng có tỷ lệ

P2O5 cao Anhydric đicanxi photphat – CaHPO4 tồn tại ở vùng axit, cònđicanxi photphat đihyđrat – CaHPO4.2H2O luôn tồn tại trong môi trường phảnứng có pH khác nhau

Hình 1.9: Giản đồ pha của hệ CaO – P 2 O 5 – H 2 O ở 25 0 C

Trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67 tương ứng với vùng chứatricanxi photphat Ca3(PO4)2 đến vùng chứa tetracanxi photphat

Ca3(PO4)2.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca9(HPO4)(PO4)5OH (CalciumDeficient HA, CDHA) Ở vùng kiềm ứng với tỷ lệ Ca/P cao hơn (lớn hơn1,67), chỉ tồn tại duy nhất một pha rắn HA, hợp chất hydroxyapatit tồn tại ởpha rắn này có thành phần hoá học theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca10(PO4)6(OH)2

(Ca/P = 1,67, Stoichiometric Hydroxyapatite – SHA)

1.4.1.1 Phương pháp kết tủa

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.10:

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa

Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thựchiện theo nhiều cách khác nhau, có thể phân ra thành hai nhóm chính:

a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca 2+ và 3

4

PO  dễ tan trong nước:

Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4…[24] Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơbản để tổng hợp HA [60]:

Sản phẩm

Khuấy, gia nhiệt

10Ca(NO 3 ) 2 + 6(NH 4 ) 2 HPO 4 + 8NH 4 OH  Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 20NH 4 NO 3 + 6H 2 O (1.5)Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67,pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M và 0,1M Sau đó, nhỏ từ từ(tốc độ 2ml/phút) dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên máykhuấy từ (tốc độ 300 – 400 vòng/phút) Bổ sung dung dịch NH4OH để đảmbảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH = 10 – 12.

Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH4)2HPO4 tiếp tục khuấy hỗn hợptrong khoảng 2 giờ tại nhiệt độ đã định Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa vàlàm sạch bằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết

bị lọc hút chân không Sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 75 – 800C và bảoquản tránh tiếp xúc với không khí

b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca 2+ ít tan hoặc không tan trong nước:

Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môitrường kiềm [28] Ví dụ:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6)Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng Độ pH

9 – 10 được điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2

Các yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng…thường ảnh hưởng đến chất lượng và hình dạng của tinh thể HA Để nhậnđược sản phẩm HA bột có kích thước mong muốn thì ngoài các yếu tố trên,cần quan tâm đến sự kết tinh của HA trong suốt quá trình tổng hợp

1.4.1.2 Phương pháp sol – gel [10], [59], [15]

Theo lý thuyết về phương pháp sol – gel, hệ phân tán là hệ bao gồm mộtmôi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích thước nhỏ được phântán đồng đều trong môi trường đó Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi

là pha phân tán, môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân

tán Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thướchạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol).

Gel là một trạng thái lỏng hoá rắn, được tạo thành từ các hệ sol hoặc cácdung dịch cao phân tử Gel có cấu trúc mạng không gian chứa đựng trong nóphần còn lại của chất lỏng sau khi hình thành mạng Quá trình tạo gel được

mô tả như sau: Hệ sol, dung dịch cao phân tử  gel, nghĩa là các hệ sol,dung dịch cao phân tử có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điềukiện Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel là: kích thước, hình dạng củahạt keo và chất cao phân tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng

độ chất điện ly, nhiệt độ, cường độ và thời gian khuấy…

Có thể chuyển sol thành gel bằng cách tách dung môi Khi dung môi bịtách ra, các hạt keo hoặc chất cao phân tử lại gần nhau hơn, tạo điều kiệnthuận lợi cho chúng nối chéo với nhau Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớtcủa dung dịch tăng nhanh và toàn bộ khối dung dịch sẽ chuyển thành gel.Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để tạo gel Cường độ và thờigian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt keo và tạo điềukiện cho chúng nối chéo với nhau Trong thực tế, thường kết hợp cả hai cáchtrên để chuyển sol thành gel

Ưu điểm của phương pháp sol – gel là tạo được độ đồng nhất cao ở mức

độ phân tử, từ đó có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng [70], sợi vàdạng hạt có chất lượng tốt [15]

Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel được thể hiện qua hình sau:

Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: hoà tan cáchợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O),

CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất Khuấy

và gia nhiệt dung dịch này đến nhiệt độ 60 – 700C, sau khoảng 3 – 4 giờ, gel

có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng

1200C trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 9000C khoảng 1 giờ HAbột nhận được có kích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thể khoảng97% [59]

1.4.1.3 Phương pháp phun sấy

Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy Dung dịchchứa các ion Ca2+ và PO43- (tỷ lệ Ca/P = 1,67) được phun vào thiết bị cùng vớikhí nén

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy

Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dòngkhí khô sao cho phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn, bột HA được sấy khô khirơi đến đáy của cột thuỷ tinh gia nhiệt Sản phẩm HA dạng bột được lấy rađịnh kỳ qua bộ phận lắng tĩnh điện Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạngliên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [61]

1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học

Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiếnhành phản ứng hoá học trong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng[34] hay sóng siêu âm [20]

Nguyên lý của phương pháp siêu âm dựa vào hiện tượng tạo và vỡ bọt(cavitation) xảy ra trong môi trường lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm vớicường độ cao Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suấtchân không trong môi trường lỏng Hiện tượng tạo – vỡ bọt xảy ra khi áp suấtchân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng Khi bọt phát triển tớikích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chấtlỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.13) Hiện tượng này sinh ra mộtlượng nhiệt tại ngay thời điểm đó gọi là sự toả nhiệt điểm (host – spot) Tuynhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanhchóng được dập tắt Điểm toả nhiệt có nhiệt độ và áp suất cao, thời gian sốngcủa nó rất ngắn Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò nhận và tập trung nănglượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiếtlàm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần

Hình 1.13: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm

Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăngtốc độ tạo mầm tinh thể Quá trình tạo – vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặtphân pha lỏng – rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ

rất cao Tuỳ thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm, có thể làm chocác tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn.

Hình 1.14 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học Đầuphát siêu âm được ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lượng cho phảnứng hoá học Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa

để tạo HA bột có kích thước nanomet [15]

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học

1.4.1.5 Phương pháp composit

Phương pháp composit được sử dụng để chế tạo các vật liệu dạng khốixốp chứa HA HA được sử dụng thường ở dạng hạt, chất nền là các phân tửpolyme Sự kết hợp của hạt HA với polyme đưa ra một phương thức đơn giản

và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu Có thể sử dụng cácpolyme như axit polylactic, polystyren, polyethylen, collagen, chitosan,xenlulo… trong đó các polyme sinh học được đặc biệt quan tâm trong lĩnhvực y sinh vì chúng có tính tương thích và phân huỷ sinh học cao

Để chế tạo vật liệu composit chứa HA, cation Ca2+ được phân tán đềutrong mạng lưới polyme sau đó các anion PO43- và OH- được đưa vào dướidạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể Cũng có thể thựchiện phản ứng tạo ra các tinh thể nano HA trước, sau đó phân tán chúng vàomạng lưới polyme nhằm ngăn không cho các tinh thể HA kết khối lại vớinhau Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc

gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn Mặt khác các polyme này còn cókhả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình.Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA.

Ví dụ, có thể tóm tắt quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp compositvới chitosan (CS) theo sơ đồ sau [36]:

Hình 1.15: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS

Theo [36], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vàomạng CS sẽ tốt hơn, do đó kích thước của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn,đồng thời độ kết tinh của HA cũng tăng lên

1.4.1.6 Phương pháp điện hoá

Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chỉnh hình thường sửdụng các kim loại trơ sinh học như titan, thép không gỉ hay các hợp kim đểthay thế hay nối ghép các bộ phận của xương Mặc dù các kim loại này có độbền cao nhưng không có khả năng tương thích sinh học, bị ăn mòn theo thời

Thêm từ từ NaOH 1,25M Khống chế ở pH = 11

CS Dung dịch axit axetic

Dung dịch

CS

Bình phản ứng

Kết tủa HAp

Sản phẩm

Dung dich NaH2PO4

Dung dich CaCl2 1M

Tỷ lệ mol Ca/P = 1,67

Ly tâm, sấy khô

gian nên các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại đó Cácbệnh nhân sẽ cảm thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơthể Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hoá và tính tương thích sinh học của chi tiếtcấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và cókhả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại.

Bằng các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang… đều tạo

ra một lớp màng có chiều dày cỡ µm Độ bám dính của lớp màng này vào vậtliệu nền không cao, thường dao động từ 15 – 30MPa, trong khi đó yêu cầu tốithiểu phải đạt khoảng 50MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hoá sớmcủa vật liệu ghép

Để khắc phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng

HA có chiều dày cỡ nanommet (màng n – HA) trên các vật liệu nền khácnhau bằng:

- Phương pháp kết tủa catot:

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kimloại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này được nhúng vào bể điệnphân với chất điện giải là dung dịch bão hoà các ion Ca2+ và PO43- ở pH = 6.Quá trình catot hoá diễn ra ở thế phân cực tại catot so với calomen bão hoà là-2V, mật độ dòng catot đạt 10mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì ở

600C Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100nmtrong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hoá[41], [63]

- Phương pháp anot hoá: Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng

các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực anot Catotđược làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim Hệ điện cực được đưavào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+ và PO43- theo tỷ lệ Ca/P = 1,67.Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350V, trên anot sẽ xảy ra hiện

tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt Tại nơi này nhiệt độ có thểlên đến 103- 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hoá, các oxit tạo thành bịnóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 – 2μm có độ xốpm có độ xốpcao Lớp oxit này có điện trở lớn khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượngphóng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn Thời gian anot hoádiễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao Tại các maoquản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO43-.Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lượng các mầm tinhthể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO43- đến bềmặt lớp oxit [37]

- Phương pháp điện di (EPD): Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương

đối của pha phân tán trong môi trường phân tán dưới tác dụng của điện trườngngoài [8.H] Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, môi trườngphân tán có thể là nước hoặc môi trường mô phỏng dịch thể người SBF(Simulated Body Fluid) Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạthuyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn vật liệu nền) tạo ramột lớp màng mỏng n – HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) trên bề mặtchi tiết với độ bám dính cao [41]

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di

Phương pháp điện di tạo được lớp màng n – HA có độ bám dính tốt, lớnhơn 60MPa, dòng tự ăn mòn chạy qua màng n – HA nhỏ hơn 300 lần so vớidòng tự ăn mòn của màng µ - HA (màng HA có độ dày cỡ µm).

1.4.1.7 Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt)

Phương pháp này được dùng chủ yếu để chế tạo HA xốp và gốm xốp.Nhìn chung, sản phẩm HA thu được vẫn giữ nguyên hình thái và cấu trúc xốpgiống như khung xương tự nhiên của động vật thân mềm ban đầu (san hô, maimực, vỏ trai, vỏ ốc…) Với cấu trúc xốp sinh học như vậy, vật liệu này có khảnăng tương thích sinh học với cơ thể con người tốt hơn so với gốm xốp HAtổng hợp bằng những phương pháp khác [68]

Khung xương của các động vật thân mềm (san hô, mai mực, vỏ sò…) cóthành phần chủ yếu (hơn 98%) là CaCO3 dạng aragonit Phản ứng thuỷ nhiệtxảy ra giữa CaCO3 với dung dịch (NH4)2HPO4 trong thiết bị kín autoclave, cógia nhiệt Do mai mực có độ xốp rất cao, diện tích bề mặt lớn nên để phảnứng dị thể xảy ra chỉ cần duy trì trong khoảng nhiệt độ 150 – 2500C ở áp suất

4 – 15atm, thời gian 24 – 30 giờ [66] Khung xốp của san hô được cấu tạo bởicác tinh thể aragonit lớn, sắp xếp đặc khít với nhau do vậy phản ứng thuỷnhiệt tạo HA chỉ diễn ra ở nhiệt độ khoảng 200 – 3000C, áp suất rất cao, lêntới 1000atm [44] Phản ứng thuỷ nhiệt diễn ra theo phương trình:

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 (1.7)Hình 1.17 là sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt

Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt

Có thể chế tạo HA xốp từ khung xương tự nhiên bằng phản ứng thuỷnhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO Trước hết, chuyển hoá khungxương CaCO3 thành CaO mà vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu Sau đó,phản ứng thuỷ nhiệt theo phương trình (1.7) được tiến hành trong hệ thiết bịnhư hình 1.17, ở nhiệt độ khoảng 2000C, áp suất 10 - 15atm, thời gian 24 - 48giờ:

10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH (1.8)Quá trình thuỷ phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trongbom thuỷ nhiệt được 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 tinhthể HA hình thành và phát triển Phản ứng xảy ra như sau [3]:

10CaHPO4 + 2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4- (1.9) 14CaHPO4 + 2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca2+ + 8H2PO4- (1.10)

Ở điều kiện trên, pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu được làđơn pha, nhưng thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện

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 (1.13)Các phản ứng pha rắn này thường được áp dụng để chế tạo HA dạngkhối xốp Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết

có hình dạng và độ xốp mong muốn Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyênđược hình dạng và cấu trúc xốp ban đầu Chính nhờ những ưu điểm này màphương pháp phản ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh vớicác chi tiết phức tạp

1.4.2.2 Phương pháp hoá - cơ [65]

Bằng phương pháp hoá – cơ, có thể chế tạo HA bột bằng phản ứng giữahai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O:

4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3 (1.14)Hoặc bằng các phản ứng sau:

2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 (1.15)2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 (1.16)

Nguyên lý của phương 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 đủmạnh để tạo ra sự khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học giữa hai pha rắntạo ra pha rắn thứ ba Quá trình phản ứng xảy ra trong thiết bị nghiền với mánghiền và bi có độ cứng cao, khối lượng riêng của bi lớn

Ưu điểm của phương pháp là điều kiện phản ứng đơn giản, dễ thực hiện.Nhược điểm là thời gian phản ứng dài, sản phẩm HA nhận được dễ bị lẫn tạpchất do sự mài mòn của bi và má nghiền

Bằng các phương pháp trên có thể dễ dàng chế tạo được màng HA cóchiều dày cỡ µm Màng HA có độ bám dính tương đối cao với vật liệu nền,nhưng khó tạo ra các màng rất mỏng (chiều dày cỡ nm), khó điều chỉnh được

độ dày của lớp màng Mặt khác, do thực hiện ở nhiệt độ cao, HA dễ bị phânhuỷ do nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P thay đổi, nên sản phẩm thường lẫn cáctạp chất của vật liệu nền

- Phương pháp plasma:

Hình 1.18 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma Bột HA bị ionhoá và một phần nóng chảy trong dòng plasma, tạo ra một lớp màng bám trênvật liệu nền tương đối bền [42], [62]

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma

- Phương pháp bốc bay chân không [11]:

Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp bốc bay chân không

Bộ phận chính của thiết bị bốc bay nhiệt là một buồng được hút chânkhông cao (cỡ 10-5 – 10-6Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tánhoặc bơm phân tử…) Thuyền điện trở được làm bằng các vật liệu (vonphram,tantan, bạch kim…) chịu nhiệt và ít tương tác với HA, có nhiệm vụ đốt nóngchảy HA cho đến khi HA bay hơi Sau đó HA sẽ ngưng đọng lên các đế đượcgắn vào giá phía trên (hình 1.19)

- Phương pháp phún xạ magnetron:

Hình 1.20 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron.Nguyên lý của phương pháp là sử dụng nguồn phát để tạo trường điện từ tần

số cao (13,56 MHz) [42]

Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron

Do electron có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với ion dương, nên dòngxoay chiều này chỉ làm dịch chuyển electron, còn ion dương không bị ảnhhưởng nhiều Electron di chuyển sẽ va chạm với Ar trung hoà và sinh ra ion

Ar+ Các hạt khí ion này được gia tốc và va chạm với các nguyên tử trên bềmặt của HA, làm cho chúng phún xạ và bay đến vật liệu nền, lắng đọng hìnhthành nên lớp màng HA [12]

1.5 Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD)

Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vậtliệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinhthể và kích thước hạt với độ tin cậy cao

Nguyên lý của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hìnhảnh khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ Mạng tinh thểnguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhấtđịnh Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron ( A0) xấp xỉvới bước sóng của tia Rơnghen

Một chùm electron đã được gia tốc, có năng lượng cao, đang chuyểnđộng nhanh, bị hãm đột ngột bằng một vật cản, một phần năng lượng củachúng chuyển thành bức xạ sóng điện từ (tia X) gọi là bức xạ hãm.

Khi một chùm tia X có bước sóng  và cường độ I đi qua vật liệu, nếu tiatới thay đổi phương truyền và thay đổi năng lượng gọi là tán xạ không đànhồi Khi tia tới thay đổi phương truyền nhưng không thay đổi năng lượng gọi

là tán xạ đàn hồi Trường hợp vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc tinh thể thìhiện tượng tán xạ đàn hồi của tia X sẽ đưa đến hiện tượng nhiễu xạ tia X.Hiện tượng này chỉ xảy ra với ba điều kiện: Vật liệu có cấu trúc tinh thể; cótán xạ đàn hồi; bước sóng của tia X (tia tới) có giá trị cùng bậc với khoảngcách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể

Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X

Trong mạng lưới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song, cáchđều nhau một khoảng bằng d Một chùm tia X có bước sóng  chiếu tới bềmặt của mạng lưới tinh thể với một góc  sẽ bị phản xạ trở lại (hình 1.21) Tất

cả các tia phản xạ đó tạo nên chùm tia X song song có cùng một bước sóng và

có phương truyền làm với phương tia tới một góc 2 Khi hiệu số pha giữacác tia X phản xạ là 2n (n là số nguyên), tại điểm hội tụ chùm tia X sẽ cóvân giao thoa với cường độ ánh sáng cực đại

Các nguyên tử, ion này được 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 songsong cạnh nhau được tính bằng công thức:

Δ = 2.d.sinθ (1.17)Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song,  là góc giữa chùmtia X và mặt phẳng phản xạ,  là hiệu quang trình của hai tia phản xạ.

Từ hình 1.21 cho thấy, hiệu quang trình giữa hai tia bằng 2.d.sin Bragg

đã biểu diễn điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ bằng phương trình:

2.d.sin = n (1.18)Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song,  là góc giữa chùmtia X, n là bậc phản xạ (số nguyên dương),  là bước sóng của tia tới

Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể Căn cứvào giá trị cực đại trên giản đồ (giá trị 2) có thể tính được d theo phươngtrình (1.18) Bằng phương pháp này sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thểcủa chất cần nghiên cứu

Ngoài việc xác định cấu trúc, XRD còn cho phép xác định kích thướccủa tinh thể Bản chất vật lý của việc xác định kích thước tinh thể bằngphương pháp XRD là: kích thước hạt và độ rộng của vạch nhiễu xạ có mốiliên hệ phụ thuộc Mẫu có các hạt với kích thước lớn thì độ rộng vạch nhiễu

xạ bé và ngược lại Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước tinh thểtrung bình của tinh thể theo phương trình:

xạ (đối với HA, k = 0,9) [47] Trong phương trình (1.19), kích thước hạt D tỉ

lệ nghịch với độ rộng B và có cos ở mẫu số, nên muốn có giá trị D chính xáccần sử dụng vạch nhiễu xạ tương ứng với góc  bé

Từ giản đồ XRD, độ tinh thể được tính toán theo phương pháp phân giảipic [48], theo công thức:

Y - X

C = 100%

Y (1.20)Trong đó: C là độ tinh thể trong bột HA

Y là chiều cao của pic đặc trưng (với HA, thường chọnpic có chỉ số Miller 300)

X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic cóchỉ số Miller 300 và 112 )

Hình 1.22: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA

Hàm lượng pha Ca3(PO4)2 trong bột HA được đánh giá bằng phươngpháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2 = 24 – 380 Hàm lượng các pha

có trong bột được tính toán từ diện tích các pic đặc trưng cho mỗi pha nhưsau:

Sa

%HA = 100%

Sa + Sp (1.21)trong đó, Sa là diện tích của pic đặc trưng cho tinh thể HA, Sp là diện tích củapic đặc trưng cho tinh thể Ca3(PO4)2 [48], [53]

Hình 1.23: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP

Giản đồ XRD của mẫu cần được ghi theo cùng một chế độ với phổchuẩn ATSM, sau đó kết quả đo được so sánh với dữ liệu ATSM

1.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR)

Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiêncứu, dựa vào các tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử.Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồngngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chứcđều bị kích thích Phổ dao động - quay của phân tử được phát sinh ra do sựchuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay (liên quan đến sựquay của phân tử xung quanh trục liên kết) Dạng năng lượng được sinh ra khichuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hoá, nghĩa là chỉ có thể biếnthiên một cách gián đoạn Hiệu số năng lượng (phát ra hay hấp thụ) được tínhtheo công thức Bohr:

-34-với một tần số trong vùng cần đo Chùm tia này đi qua bộ giao thoa kế (gồmgương cố định, gương di động và bộ phận phân chia chùm sáng) Bức xạ hồngngoại sau khi đi ra khỏi giao thoa kế sẽ đi qua mẫu rồi đến detector Detectorghi nhận sự biến đổi của cường độ của bức xạ theo quãng đường d mà gương

di động thực hiện được rồi chuyển thành tín hiệu điện Khi đó, thu được tínhiệu dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường:

V = f(d) Máy tính sẽ thực hiện phép biến đổi Fourie để chuyển hàm V = f(d)thành hàm của cường độ bức xạ I theo nghịch đảo của quãng đường 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 củacường độ bức xạ vào số sóng

Hình 1.24: Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại

1 – Nguồn sáng 5 – Mẫu

2 – Gương cố định 6 – Detector

3 – Gương di động 7 – Computer

4 – Bộ phân chia chùm sáng 8 – Bút tự ghi

Bột HA được phân tích FTIR để xác định sự có mặt của các nhóm chức:

OH-, CO32-, HPO42-, PO43- Bước sóng đặc trưng cho các nhóm chức có thể cómặt trong bột HA được trình bày ở bảng sau:

biến đổi Fourie

Bảng 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức [3]

1545 – 14451091962632576

1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử

1.5.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) [57]

Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tửquét lên bề mặt mẫu và thu nhận lại chùm tia phản xạ Qua việc xử lý chùmtia phản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu đểtạo ảnh của mẫu nghiên cứu

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độphóng đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần

Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lênmẫu nghiên cứu Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứcấp Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổithành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo

độ sáng trên màn hình

Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình Độ sáng tốitrên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời

còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu Ưu điểm của phương pháp SEM

là có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâuchuẩn bị mẫu quá phức tạp Tuy nhiên, phương pháp này cho độ phóng đạinhỏ hơn phương pháp TEM

1.5.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microcopy, TEM) [8]

Nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là sử dụng chùmđiện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu Do vậy, các mẫu này cần phải đủmỏng để chùm điện tử xuyên qua

Hình 1.26: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử

Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai súng phóng điện tử sẽ được hội tụ lênmẫu nghiên cứu Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tiađiện tử phản xạ và điện tử truyền qua Chùm tia điện tử truyền qua này được

đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng,tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sángtrên màn ảnh Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh, độ

Hình 1.25: Sơ đồ

nguyên lý của SEM

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 bước sóng cỡ0,4nm chiếu lên mẫu ở hiệu điện thế khoảng 100kV, ảnh thu được cho biếtchi tiết hình thái học của mẫu theo độ tương phản tán xạ và tương phản nhiễu

xạ, qua đó có thể xác định được kích thước hạt một cách khá chính xác

Sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đếnmàn hình huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu Chùm tia điện tửđược tạo ra từ catot qua hai “tụ quang” điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiêncứu 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 được

đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng,tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sángtrên màn Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộthu và phụ thuộc hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ, thiết bị và hoá chất

- Nhiệt kế thuỷ ngân 1000C

- Chén nung, cốc cân, ống nghiệm

2.1.2 Thiết bị:

- Cân điện tử có độ chính xác ± 10-4g

- Máy khuấy từ gia nhiệt

- Bể siêu âm tần số 46kHz, công suất 200W

- Lò nung có nhiệt độ nung lớn nhất 10000C

- Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại PA (Trung Quốc)

- Canxi hiđroxit Ca(OH)2, loại PA (Trung Quốc)

- Cồn 960

2.2 Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột HA

Bột HA được tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 theo sơ đồ bố trí thínghiệm được trình bày trên hình 2.1

Quy trình thực nghiệm được trình bày trên hình 2.2 Các thí nghiệmđược tiến hành ở qui mô tạo ra khoảng 10g HA.

Mô tả thí nghiệm: Hoà tan Ca(OH)2 vào 200ml nước cất trong bình cầu500ml thu được huyền phù có nồng độ 0,5M Một bình nhỏ giọt chứa 200ml

H3PO4 0,3M được đặt trên bình cầu Hỗn hợp phản ứng được khuấy và gianhiệt bằng máy khuấy từ đến nhiệt độ cần nghiên cứu, duy trì tại nhiệt độ đótrong toàn bộ thời gian phản ứng Nhiệt độ thí nghiệm được đo bằng nhiệt kếthuỷ ngân với sai số 20C Nhỏ dung dịch axit H3PO4 vào bình phản ứng ởnhững tốc độ xác định Sau khi nhỏ hết axit, tiếp tục khuấy hỗn hợp thêm 2giờ Sản phẩm thu được ở dạng huyền phù, màu trắng Để lắng 24h rồi thu sảnphẩm bằng cách ly tâm với tốc độ 4400vòng/phút Rửa sản phẩm 3 lần bằngnước cất, rửa lần cuối bằng axit H3PO4 10-3M Lấy sản phẩm ra mặt kính đồng

hồ và sấy ở 700C đến khô, nghiền mịn rồi sấy tiếp ở 1300C trong 24h

Một số mẫu sau khi sấy được nung ở 9000C trong 1giờ để xác định sựtồn tại của chất đầu Ca(OH)2 trong sản phẩm HA