Nghiên cứu tổng hợp Canxi Hidroxy Apatit trên nền Alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)

Vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA và polyme tự nhiên đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc… Để góp phần tạo ra một

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIÊT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

PHẠM THỊ NGỌC BÍCH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN

ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN

NHA TRANG (VIỆT NAM)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

PHẠM THỊ NGỌC BÍCH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN

NHA TRANG (VIỆT NAM)

Chuyên ngành : Hóa Vô cơ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐÀO QUỐC HƯƠNG

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tớiPGS.TS Đào Quốc Hương và ThS Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong thời gian thực hiện đề tài luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các cô, các chú và các chị công tác tại Phòng Hóa Vô cơ – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Namđã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

Học viên

Phạm Thị Ngọc Bích

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 4

1.1 HYDROXYAPATIT (HA) 4

1.1.1 Tính chất của HA 4

1.1.1.1 Tính chất vật lý 4

1.1.1.2 Tính chất hóa học 5

1.1.1.3 Tính chất sinh học 6

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA 7

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp HA 9

1.1.3.1 Phương pháp kết tủa 9

1.1.3.2 Phương pháp siêu âm hóa học 11

1.1.3.3 Các phương pháp khác 12

1.2 GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT 12

1.2.1 Polysaccarit 12

1.2.2 Alginat 13

1.2.2.1 Nguồn gốc 13

1.2.2.2 Đặc điểm cấu trúc của alginat 14

1.2.3.3 Tính chất của alginat 14

1.2.2.4 Ứng dụng của alginat 17

1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT 18

1.3.1 Vật liệu compozit của HA và polyme 18

1.3.1.1 Tình hình nghiên cứu 18

1.3.1.2 Tính chất và ứng dụng 20

1.3.1.3 Phương pháp điều chế 21

1.3.2 Vật liệu compozit của HA và alginat 23

1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT 25

1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 25

1.4.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 27

1.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử 28

1.4.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 28

1.4.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29

1.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA) 29

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 31

2.1 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 31

2.1.1 Dụng cụ: 31

2.1.2 Thiết bị: 31

2.1.3 Hóa chất: 31

2.2 Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 32

2.3 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm 33

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat 33

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 34

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 34

2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi 34

2.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa 35

2.3.6 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 35

2.3.7 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 35

2.3.8 Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm 36

2.4 Chuẩn bị mẫu phân tích 36

2.4.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) 36

2.4.2 Phổ hồng ngoại (FTIR) 36

2.4.3 Hiển vi điện tử quét (SEM) 37

2.4.4 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 37

2.4.5 Phân tích nhiệt (DTA - TGA) 37

CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38

3.1 Quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 38

3.2 Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm 39

3.2.1 Ảnh hưởng của hàm lượng alginat 39

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 46

3.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 49

3.2.4 Ảnh hưởng của dung môi 52

3.2.5 Ảnh hưởng của thời gian già hóa 55

3.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 57

3.2.7 Ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 59

3.2.8 Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm 61

KẾT LUẬN 65

CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ĐÃ CÔNG BỐ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

HA Canxi hydroxyapatit

HA/Alg Compozit của HA và alginat

XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X

FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại

SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét

TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai – nhiệt trọng lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến kích thước của HA trong

compozit Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình và độ tinh

thể của HA trong compozit HA/Alg……… Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 đến kích thước trung bình

và độ tinh thể compozit HA/Alg……… Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình

và độ tinh thể compozit HA/Alg……… Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc khuấy đến kích thước trung bình và độ tinh

thể compozit HA/Alg……… Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình và

độ tinh thể của compozit HA/Alg………

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA………

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

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA………

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể… Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau………

Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt………

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa………

Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm………

Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat………

Hình1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginat a) Mô hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi………

Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS………

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X………

Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM………

Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử………

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg

Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat khác nhau

Hình 3.2: Ảnh SEM của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginat

Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50………

Hình 3.4: Phổ FTIR của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginat

Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA-50………

4

5

6

7

8

9

10

11

14

16

23

26

27

28

29

32

33

39

41

42

43

44

Hình 3.6: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng

khác nhau Hình 3.7: Ảnh SEM của mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ (a) 30oC

và (b) 50oC Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg ở nhiệt độ phản ứng

khác nhau Hình 3.9: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các tốc độ cấp axit khác

nhau……… Hình 3.10: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ cấp axit Hình 3.11: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi…… Hình 3.12: Ảnh SEM của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi khác

nhau……… Hình 3.13: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi Hình 3.14: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác

nhau Hình 3.15: Phổ FTIR của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau… Hình 3.16: Giản đồ XRD của HA trong compozit HA/Alg tổng hợp ở các

tốc độ khuấy khác nhau……… Hình 3.17: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy

khác nhau……… Hình 3.18: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở hai điều kiện

làm khô……… Hình 3.19: Ảnh SEM của (a) HA-10, (b) HA-50, (a’) HA-Đ10 và (b’) HA-Đ50 Hình 3.20: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều

kiện không có sóng siêu âm (P1) và có sóng siêu âm (P2)……… Hình 3.21: Ảnh SEM của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện

không có sóng siêu âm (P1) và có sóng siêu âm (P2)……… Hình 3.22: Phổ FTIR của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện

không có sóng siêu âm (P1) và có sóng siêu âm (P2)………

1

MỞ ĐẦU

Canxi hydroxyapatit (hay còn gọi là hydroxyapatit - HA), công thức

Ca5(PO4)3(OH) hoặc Ca10(PO4)6(OH)2, là muối kép của tri - canxi photphat và canxi hydroxit Còn apatit tồn tại trong tự nhiên ở dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2 Trong cơ thể người và động vật, HA là thành phần chính trong xương (chiếm 65 - 70% khối lượng) và răng (chiếm 99%) [10, 16] HA có các đặc tính quý giá như: Có hoạt tính

và độ 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,… [12]

Nó là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể người với tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng [28]

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 phát triển Các chế phẩm HA ở những kích thước khác nhau có các ứng dụng khác nhau

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 bị sâu và các vết rạn nứt ở xương tự nhiên, làm xương nhân tạo mà không bị cơ thể đào thải Ở dạng bột, HA kích thước nano (20 - 100 nm) dùng làm 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 HA ở dạng bột còn được sử dụng để thay thế xương hoặc làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép [21, 52]

Để nâng cao đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học, một xu hướng mới là tạo ra vật liệu compozit bằng cách phân tán HA vào các polyme sinh học Trong các vật liệu này, nhóm chức photphat và hydroxyl của HA tạo liên kết với các nhóm chức của polyme Mặt khác, các nhóm chức của polyme

có khả năng tạo liên kết tốt với các tế bào sinh học, do vậy nâng cao tính tương thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của cơ thể Các polyme đang được tập trung nghiên cứu theo hướng này là các polyme tự nhiên như collagen, chitosan, alginat, hay các polyme tổng hợp như poly (lactide-co-galactide) làm các chất

2

truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc và chế tạo các chi tiết xương nhân tạo để cấy ghép xương [46] Vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA và polyme tự nhiên đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc…

Để góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng

trong y sinh học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp

canxi hydroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)”

Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)

Những nội dung nghiên cứu:

· Nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit HA/Alg bằng phương pháp kết

tủa;

· Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp đến độ đơn

pha, độ tinh thể, kích thước hạt và trạng thái tập hợp của vật liệu compozit:

- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat;

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ;

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit;

- Khảo sát ảnh hưởng của dung môi;

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa;

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn;

- Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm;

- Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm

Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm để tổng hợp, khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng và các phương pháp vật lý hiện đại để khảo sát, đánh giá chất lượng sản phẩm thu được:

3

- Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD);

- Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR);

- Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM);

- Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM);

- Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA)

Những đóng góp của luận văn

Lần đầu tiên ở trong nước đã nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam)

Bố cục của luận văn

· Mở đầu

· Nội dung chính với 3 chương

- Chương I: Tổng quan

- Chương II: Thực nghiệm

- Chương III: Kết quả và thảo luận

· Kết luận

· Danh mục các tài liệu tham khảo

Tùy theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol - gel, phương pháp điện hóa) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như nhiệt độ phản ứng, nồng độ, thời gian già hóa sản phẩm…) mà các tinh thể có hình dạng khác nhau [32]

Các tinh thể HA thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình cầu,… [55] và có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (Hình 1.1)

Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA

5

Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp trong các ô đơn vị như hình 1.2

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

Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion Trong 10 nhóm PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ

có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA Điều này có thể giải thích

do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều Với cách giải thích như trên, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-,

từ đó có thể khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2 [54]

1.1.1.2 Tính chất hóa 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 hóa trị Hai nhóm OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [35]

6

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA

· HA 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)

· HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 đến 1200oC 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 1200oC, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP)

và Ca4P2O9 hoặc CaO:

Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1.3)

Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + CaO + 2H2O (1.4)

7

Để chế tạo HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và lựa chọn công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA

Vật liệu HA tồn tại ở nhiều dạng: Dạng màng, dạng bột, dạng khối xốp, dạng compozit Với các đặc tính nổi trội của nó, HA đã được ứng dụng đa dạng, phong phú trong y học và dược học

Ở dạng bột: Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối

thấp nên 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 hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HA HA ở dạng bột mịn, kích thước nano được cơ thể người hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản,

do vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit có trong dạ dày Vì những đặc tính này, HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [39]

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

Ở dạng màng: Lớp màng HA chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) được phủ

lên bề mặt vật liệu bằng kim loại và hợp kim bằng các phương pháp điện hóa và phương pháp điện di trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng

n - HA, người ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng

8

phạm vi ứng dụng của màng n - HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông tiến đến có thể sử dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các vị trí khác [6]

Ở dạng khối xốp: Gốm xốp HA được ứng dụng rất rộng rãi trong y sinh học:

- Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng: Các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano

và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [23]

- Chế tạo mắt giả: HA tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc biệt có khả năng thích ứng cao với cơ thể [27]

- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương [49]

Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau

Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (hình 1.5) có kích thước và độ xốp khác nhau Sau đó, gia công sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [12]

9

Hình 1.6: 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 [13];

- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [52];

- Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán isulin trong ruột [52]

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp HA

Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã được triển khai từ lâu và đạt được những thành tựu đáng kể Ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo ra các bước tiến mới trong lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học cũng như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác Dưới đây

là các phương pháp cơ bản thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu HA kích thước nano

H3PO4 ↔ H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2 (1.7)

H2PO4- ↔ HPO42- + H+ pKa1 = 7,2 (1.8) HPO42- ↔ PO43- + H+ pKa1 = 12,3 (1.9)

Khi thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO42- và H2PO4- ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm HA Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý

của phương pháp kết tủa

11

1.1.3.2 Phương pháp siêu âm hóa học

Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước nano, có thể tiến hành phản

ứng hóa học trong môi trường sóng có tần số lớn như sóng siêu âm

Nguyên lí của phương pháp siêu âm là dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao, trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation) Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng Hiện tượng tạo bọt - vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng Khi bọt phát triển đến một kích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.8) Hiện tượng này gọi là sự tỏa nhiệt điểm và nó sẽ sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hóa học lên nhiều lần

Hình 1.8: 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 tăng tốc

độ tạo mầm tinh thể Quá trình tạo - vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng

- rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao Các tinh thể

bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn tùy thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu

âm [12]

12

1.1.3.3 Các phương pháp khác

Ngoài 2 phương pháp cơ bản nêu trên, có nhiều phương pháp khác để tổng hợp HA dạng bột như [1, 3]:

· Phương pháp sol - gel;

· Phương pháp phun sấy;

· Phương pháp compozit;

· Phương pháp điện hóa;

· Phương pháp thủy nhiệt;

· Phương pháp phản ứng pha rắn;

· Phương pháp hóa - cơ;

· Một số phương pháp vật lý: Ngoài các phương pháp trên, còn có một số phương pháp vật lý như phương pháp plasma, bốc bay chân không, phun xạ magenetron, hồ quang,… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu trơ về mặt sinh học [21]

1.2 GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT

1.2.1 Polysaccarit

Polysaccarit là một loại cacbohidrat cao phân tử, khi thủy phân đến cùng tạo thành các phân tử monosaccarit Trong polysaccarit, các gốc monosaccarit được nối với nhau bằng cầu nối oxi theo liên kết glicozit tạo thành mạch thẳng hoặc mạch nhánh Khi tạo thành mạch, nhóm hydroxyl glicozit của phân tử này thường tương tác với nhóm hydroxyl ancol của phân tử kia, thường ở vị trí nguyên tử C4, hiếm hơn là ở vị trí nguyên tử C6 và rất hiếm là ở vị trí C3

Với các muối của các kim loại chuyển tiếp như: Fe3+, Mn2+, Co2+,… các polysaccarit có khả năng tạo thành các phức bền vững dễ hấp thụ trong cơ thể động vật Từ những năm 1960 đến nay, các loại phức giữa polysaccarit có khối lượng phân tử 3000 - 7000 đvC với một số kim loại đã được nghiên cứu tổng hợp và đưa

ra sản xuất làm thuốc sử dụng trong chăn nuôi và sau này dùng cả cho người [5, 56]

13

- Đặc điểm của polisaccarit:

+ Là những polime được tạo ra từ thiên nhiên;

+ Là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng các anđozơ hoặc xentozơ;

+ Mạch là mạch hở, không nhánh hoặc có nhánh, mạch vòng hay uốn khúc

- Polisaccarit được chia thành 2 loại: homopolisaccarit và heteropolisaccrit

+ Homopolisaccarit khi bị thủy phân hoàn toàn cho nhiều hơn 10 monosaccarit cùng loại ví dụ tinh bột, xenlulozơ, glycogen ;

+ Heteropolisaccarit khi bị thủy phân đến cùng cho 2 hay nhiều loại monosaccarit khác nhau ví dụ alginat, pectit…

- Chức năng của polysaccarit:

+ Tạo hình;

+ Dự trữ;

+ Giữ nước

Polisaccarit có khả năng tương tác với nhiệt và nước làm thay đổi tính chất

và trạng thái với độ đặc, độ dẻo, độ dai, độ dính, độ xốp, độ trong và khả năng tạo màng khác nhau

- Ứng dụng của polysaccarit:

Chúng được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, ở các dạng tự nhiên và biến tính như các chất tạo độ đặc hay tạo gel, chất làm bền nhũ tương và các hệ phân tán Ngoài ra chúng còn được dùng làm chất tạo màng, bảo vệ bề mặt các loại thực phẩm nhạy cảm khỏi những thay đổi không mong muốn, thành phần thêm vào trong các thực phẩm ăn kiêng…

1.2.2 Alginat

1.2.2.1 Nguồn gốc

Alginat là loại polyme sinh học có nguồn gốc từ biển phong phú nhất thế giới, là loại polyme sinh học nhiều thứ hai sau cellulose Theo tài liệu [14], alginat được nhà hóa học người Anh E.C.C Stanford tìm ra năm 1881, là một polysaccarit

có mặt trong rong nâu với hàm lượng cao nhất, lên đến 40% khối lượng chất khô

14

Alginat nằm trong hệ thống gian bào ở dạng gel chứa các ion natri, canxi, magie, stronti và bari Chức năng chính của chúng được cho là bộ khung, tạo nên cả độ bền vững lẫn độ mềm dẻo của mô rong [19]

1.2.2.2 Đặc điểm cấu trúc của alginat

Alginat là tên gọi chung các muối của axit alginic Trong thuật ngữ phân tử, alginat là một họ của copolyme nhị phân không phân nhánh gồm các gốc β-D-mannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozid Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các monome trong chuỗi mạch, tạo nên các đoạn homopolyme (MM hoặc GG) lẫn các heteropolyme (MG hoặc GM) Khối lượng phân tử của alginat thường trong khoảng 50 - 1000kDa [19, 20]

Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat: a) Các monome của alginat;

b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginat

15

điện tích trên các gốc uronic Lực ion của môi trường cũng đóng vai trò quan trọng (hiệu ứng muối kết của các cation không tạo gel) Hàm lượng của các ion tạo gel trong dung môi cũng hạn chế sự hòa tan của alginat [14, 41]

- Độ nhớt

Khi nằm trong vách tế bào, alginat có độ nhớt cao nhưng khi tách chiết bằng phương pháp khác nhau, alginat bị giảm độ nhớt Alginat có khối lượng phân tử trung bình lớn thì độ nhớt càng lớn Tỷ lệ mannuronic/guluronic (M/G) cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của sản phẩm Tuy nhiên, tỷ lệ M/G và trọng lượng phân tử lại phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố: Loài rong, độ trưởng thành, khu vực sinh trưởng,

kỹ thuật chiết xuất, thời gian bảo quản Độ nhớt dung dich alginat biến thiên trong dải rộng từ 10 mPa.s đến 1000 mPa.s (dung dịch 1%) Với một chút muối canxi sẽ làm tăng độ nhớt cho sản phẩm hay độ cứng của gel canxi alginat tạo ra Các alginat

mà có tỷ lệ G cao hay M/G thấp sẽ cho gel rắn hơn [42]

- Tính chất tạo gel

Dung dịch natri alginat có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion hóa trị II, III Khi nhỏ một giọt dung dịch natri alginat vào dung dịch CaCl2 sự tạo gel xảy ra gần như tức thời trên bề mặt của giọt và cho ta hạt gel có dạng hình cầu

Hình1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca 2+ và alginat a) Mô hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi

Gel được tạo ra do tương tác tĩnh điện qua ion canxi nên gel này không thuận nghịch với nhiệt và ít đàn hồi Khả năng tạo gel và độ bền phụ thuộc vào hàm lượng các đoạn guluronic (G) Phản ứng tạo liên kết gel sẽ không xảy ra ở những đoạn poly - mannuronic và những đoạn MG (mannuronic - guluronic) Tỷ lệ G lớn hơn

so với M thì khả năng tạo gel của alginat sẽ tốt hơn

Khả năng tạo gel của các muối alginat còn phụ thuộc vào kích thước của ion kim loại Ái lực của alginat đối với các ion kim loại hóa trị II khác nhau giảm theo trình từ: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+ Tùy thuộc vào loại ion liên kết và loại alginat mà gel tạo thành có tính chất khác nhau [14, 40]

17

1.2.2.4 Ứng dụng của alginat

Do có nhiều ứng dụng khác nhau, alginat được xem là một trong những polysaccarit có nhiều ứng dụng nhất Các ứng dụng này trải rộng từ các ứng dụng

có tính chất kỹ thuật truyền thống, đến thực phẩm và y sinh học

Các ứng dụng của alginat đều dựa trên ba đặc điểm chính Thứ nhất là khả năng tạo dung dịch có độ nhớt cao Thứ hai là khả năng tạo gel khi thêm muối canxi vào dung dịch natri alginat trong nước Sự tạo gel đó xảy ra phản ứng hóa học, khi

đó canxi thay thế natri trong alginat, giữ lấy các phân tử alginat dài với nhau và kết quả là tạo gel Quá trình tạo gel không cần đun nóng và gel thu được không bị chảy khi đun nóng Đặc điểm thứ ba của alginat là khả năng tạo màng và sợi canxi alginat [31]

- Trong một số ngành kỹ thuật

Ứng dụng kỹ thuật quan trọng phổ biến nhất là tạo một chất tạo màng trong

in vải sợi, ở đó alginat thu hút được sự chú ý cao nhờ mang lại sự thẫm màu, độ rực

rỡ và độ đồng nhất Nhu cầu alginat dùng trong in vải sợi chiếm khoảng 50% tổng lượng alginat sản xuất trên toàn thế giới [31, 17] Alginat cũng dùng để tráng bề mặt giấy để đạt sự đồng nhất và làm tác nhân gắn kết trong việc sản xuất que hàn [34]

- Trong y - dược

Alginat đã được sử dụng trong hàng thập kỷ làm chất trợ giúp trong các ứng dụng khác nhau trong y tế Một số ví dụ bao gồm việc sử dụng làm vải băng bó vết thương truyền thống [47], làm vật liệu lấy dấu răng và trong một số dược phẩm chảy máu dạ dày Việc sử dụng alginat làm chất ổn định ngày càng phổ biến trong nhiều quá trình công nghệ sinh học khác nhau Sự bắt giữ tế bào bên trong các hạt cầu Ca - alginat đã trở thành kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi nhất để cố định tế bào sống [44]

Triển vọng lớn nhất với các tế bào được cố định bằng gel alginat là việc ứng dụng khả năng của chúng trong việc cấy ghép tế bào Ở đây, mục đích chính của sự tạo gel là tác dụng như một hàng rào giữa bộ phận ghép và hệ thống miễn dịch của

18

vật chủ Các tế bào khác nhau đã được đề nghị cho việc cố định gel bao gồm các tế bào tuyến cận giáp để điều trị bệnh canxi huyết và tế bào sản xuất dopamine nhuộm màu tuyến thượng thận để điều trị bệnh Parkinson [14] Alginat hiện nay được tập trung nghiên cứu cho các tế bào sản xuất insulin để điều trị bệnh tiểu đường Type I [48]

- Trong thực phẩm

Alginat được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện, bổ sung và ổn định kết cấu bên ngoài của thực phẩm Các ứng dụng này dựa trên các tính chất như làm tăng độ nhớt, khả năng tạo gel và làm ổn định hỗn hợp với nước chống đông và nhũ hóa Trong sản xuất kem, axit alginic và muối của nó có thể dùng làm chất ổn định trong kem ly, làm kem có mùi thơm, chịu nóng tốt, thời gian khuấy trộn lúc sản xuất ngắn Một sản phẩm chứa axit alginic có tên là Lamizell là muối kép của natri

và canxi với một tỷ lệ nhất định Lamizell tạo ra một độ nhớt đặc biệt và có khả năng kích thích ngon miệng, do đó rất được quan tâm trong thực phẩm

Trong ứng dụng làm mứt, thạch, thực phẩm mùi hoa quả…, khả năng đồng tạo gel giữa alginat giàu G và pectin este hóa cao có vai trò rất hữu ích Hệ alginat/pectin có thể tạo ra gel thuận nghịch, ngược với gel alginat có liên kết ngang ion thuần túy [14, 31]

1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT

Vật liệu compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn các vật liệu ban đầu

1.3.1 Vật liệu compozit của HA và polyme

1.3.1.1 Tình hình nghiên cứu

Sự gia tăng lão hóa dân số cùng với các khuyết tật, bệnh lý về xương do tai nạn lao động và giao thông, hiện tượng nhiễm trùng đã thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu cấy ghép xương nhân tạo [29]

sự quan tâm tập trung phát triển vật liệu sinh học compozit HA/polyme tạo ra vật liệu có khả năng tái tạo cấu trúc phân cấp phức tạp của xương

- Trên thế giới: Năm 1993, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ

(FDA) đã phê duyệt sản phẩm Collagraft được chế tạo trên cơ sở compozit HA/tricanxi phosphate và collagen chiết xuất từ xương bò phối hợp với tủy xương bệnh nhân Các nghiên cứu cho thấy, khi kết hợp HA với các polyme, tính tương thích sinh học giữ nguyên và tính chất cơ học được tăng lên Nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào tổng hợp compozit này cho thấy đã đạt được những cải thiện đáng kể về tính chất cơ học Một nhóm nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley công bố đã phát triển được một sản phẩm compozit trên cơ sở

HA và poly 2-hydroethyl methacrylat Dự kiến sản phẩm này sẽ có vai trò quan trọng trong các bộ phận xương và răng cấy ghép, phát triển xương, liệu pháp chữa khuyết tật xương Trên cơ sở HA và collagen, một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu thành công một loại xương nhân tạo có tính năng như vật liệu dạng khối xốp, rất mềm và có thể dùng kéo cắt để định dạng theo ý muốn, dễ dàng cấy ghép vào cơ thể

- Ở nước ta: Vật liệu compozit HA/polyme là tương đối mới mẻ, có một số

nghiên cứu đã được công bố nhưng chưa có nhiều Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã có một số kết quả được công bố như:

Năm 2009, đã nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit collagen/hydroxyapatit bằng phương pháp đồng kết tủa cho mục đích ứng dụng trong y sinh học [8];

20

Năm 2012, đã tổng hợp được vật liệu compozit hydroxyapatit trên nền tinh bột từ canxinitrat Trong đó, compozit được chế tạo theo hai phương pháp là: điều chế HA trực tiếp trong môi trường có tinh bột và phương pháp trộn cơ học HA với tinh bột [9];

Từ năm 2013 đến nay, đã có một số bài báo được công bố về tổng hợp và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng của compozit hydroxyapatit/tinh bột, compozit hydroxyapatit/maltodextrin bằng phương pháp kết tủa trực tiếp [33, 4]

1.3.1.2 Tính chất và ứng dụng

Bản chất của gốm xốp và màng HA có độ bền cơ học thấp Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm compozit bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học như alginat, maltodextrin, tinh bột, collagen, chitosan, xenlulo… Bên cạnh đó, sự có mặt của các polyme sẽ làm chất nền để các hạt HA phân bố đồng đều hơn, giảm hiện tượng kết tập giữa các hạt Mạng lưới cấu trúc của các polyme hạn chế sự phát triển của tinh thể HA nên sản phẩm thu được có kích thước hạt nhỏ hơn HA tinh khiết Vật liệu ở dạng này có tính tương thích sinh học cao hơn so với HA đơn thuần nên được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc

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 có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của nó Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu compozit chứa HA [37]

Từ những năm 1980, Bonfield và các đồng nghiệp [50] đã phát triển compozit của HA và polyethylen Compozit này thể hiện giòn dẻo sự chuyển hóa khi lượng thể tích HA vượt 40 - 45% Nhưng chúng chỉ có hoạt tính sinh học ở pha

HA và polyethylen không phân hủy sinh học Hơn nữa, sự có mặt của polyethylen

kị nước làm giảm khả năng liên kết với bề mặt xương

Các vật liệu compozit của HA/collagen có tiềm năng cao cho mục đích thay thế các mục đích thay xương do chúng giống xương về hoạt tính sinh học và khả

21

năng phân hủy sinh học Các compozit này tương tự với xương tự nhiên về thành phần nhưng chúng không thể có được trật tự cấu trúc phức tạp như xương Mặc dù các tính chất cơ học còn kém nhưng các compozit này tỏ ra có tính dẫn xương cao

và do vậy chúng là vật liệu tiềm năng cho kỹ thuật mô xương [25]

Gea và các đồng nghiệp [18] đã chế tạo các vật liệu compozit HA/chitin chứa 25%, 50% và 75% theo khối lượng HA 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 [22] đã chế tạo màng HA/chitosan và đánh giá các tính chất vật lí của chúng Tỷ lệ khối lượng HA/chitosan là 4/11 được công bố là có chất lượng thích hợp tối ưu về mặt co ngót, tính co dãn, độ cứng, khả năng nhả ion canxi…

Gần đây, các nghiên cứu về sự ứng dụng của compozit giữa polyme sinh học với hợp chất vô cơ để kiểm soát truyền dẫn thuốc đang thu hút nhiều sự chú ý vào cấu trúc độc đáo và đặc tính của chúng Hiệu quả tổng hợp các polyme sinh học và vật liệu vô cơ cũng như sự tương tác bề mặt mạnh mẽ thông qua tương tác tĩnh điện

và liên kết hyđro có thể cải thiện tính chất cơ lý, hiệu quả truyền dẫn và nhả chậm thuốc

- Các phương pháp thường dùng điều chế compozit HA/polyme như sau:

22

+ Phương pháp cơ nhiệt: Quá trình kết hợp HA ở dạng hạt và dạng gốm

xốp vào polyme được tiến hành bằng các kĩ thuật chế tạo nhựa thông thường Quá trình chế tạo bao gồm các giai đoạn pha trộn, nghiền, gia nhiệt và nén hoặc đúc phun ép

+ Phương pháp hóa lý: Kết tủa các tinh thể HA ngay trong môi trường

polyme hoặc phân tán chúng 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 được áp dụng nhiều nhất vì nó tránh được sự kết hợp HA thành các hạt lớn Trong phương pháp trực tiếp HA, người ta sử dụng từ các loại hợp chất khác nhau, bao gồm Ca(NO3)2,

Na3PO4, (CH3COO)2Ca, H3PO4, Na2HPO4, CaCl2, Ca(OH)2…

Như vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA nói trên đang được tiến hành theo hai hướng chính Hướng thứ nhất là tổng hợp HA ở dạng bột với kích thước khác nhau, sau đó phân tán HA vào mạng lưới polyme bằng phương pháp cơ học hoặc phương pháp siêu âm Hướng thứ hai là tổng hợp trực tiếp HA trong mạng lưới polyme Theo phương pháp này, các ion Ca2+, PO43- và OH- được phân tán đều và phản ứng để tạo thành các tinh thể HA kích thước nano trong mạng lưới polyme

Các kết quả khảo sát cho thấy, giữa polyme và HA có tạo thành dạng liên kết hoá học nào đó và các polyme có tác dụng chống lại hiện tượng kết tập của các tinh thể HA kích thước nano Tuy vậy, hình dạng, kích thước, độ tinh thể cũng như trạng thái phân tán và bản chất của liên kết giữa polyme và tinh thể HA vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ Mặt khác, khả năng hình thành vật liệu compozit giữa HA với một số polyme tự nhiên như: polymantozơ từ tinh bột ngũ cốc, polysaccarit chiết tách từ rong biển… vẫn còn ít được đề cập đến

Dưới đây là một số quá trình tổng hợp compozit giữa HA và polyme:

- Tóm tắt quá trình tổng hợp compozit của HA với chitosan (CS) theo phương pháp kết tủa trực tiếp [15]:

23

Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA - CS

Theo [15], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng 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

- Việc tổng hợp vật liệu compozit giữa HA và maltodextrin từ Ca(OH)2 và

H3PO4 có thể được thực hiện theo hai phương pháp:

+ Phương pháp một giai đoạn: phân tán Ca2+ vào dung dịch maltodextrin, sau

đó đưa 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

+ Phương pháp hai giai đoạn: 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 lưới maltodextrin

1.3.2 Vật liệu compozit của HA và alginat (HA/Alg)

Các loại compozit từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xương thay thế với tính chất sinh

Gần đây, vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA được phát triển như một

hệ thống truyền dẫn thuốc, kháng sinh và kháng nấm, phẫu thuật chỉnh hình, nha khoa… [55] Sự có mặt HA cùng với alginat làm tăng sự gắn kết tế bào bên trong và cung cấp sự lựa chọn thích hợp khung xương cho kỹ thuật mô Một số nghiên cứu

đã chế tạo compozit HA/Alg làm chất độn xương thông qua các kỹ thuật khác nhau như tách pha, phun giọt, hoặc phân tán trong polyme [29]

Compozit HA/Alg hình thành là kết quả sự phân tán trực tiếp hạt HA vào chuỗi polyme alginat, nó được sử dụng như một khung đỡ cho sự phát triển của xương và mô Compozit HA/Alg có cơ tính tốt được phát triển bằng cách kết hợp bột HA với alginat liên kết ngang ion với canxi Các đặc tính cơ học có thể tăng cùng với sự tăng của hàm lượng alginat [36] Điều chế compozit HA/Alg từ hạt HA hình cầu với alginat đảm bảo vật liệu thay thế xương được giữ lại ở vị trí cấy ghép tránh sự nhiễm trùng về sau

Để tạo ra vật liệu phù hợp với mục đích nêu trên, các compozit HA/Alg được chế tạo với hàm lượng khác nhau được bằng phương pháp kết tủa trực tiếp Sau đó, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat qua các đặc trưng hình thái học của tinh thể HA, sự tương tác hóa học giữa HA và alginat, cũng như các vi cấu trúc của vật liệu compozit Nghiên cứu này đưa ra hướng mới tạo ra compozit trên cơ sở HA và alginat ứng dụng để sửa chữa và tái tạo xương

Ngoài ra, compozit HA/Alg còn được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau Lin và Yeh chế tạo một sản phẩm dạng xốp giữa gel canxi alginat liên kết ngang với HA kích cỡ nanomet bằng phương pháp đông khô Thêm HA vào trong thành phần làm tăng độ nén và gắn tế bào xương với alginat tinh khiết [46] Chế tạo gel compozit HA/collagen/alginat từ hỗn hợp bột HA, collagen và dung dịch

25

alginat Xương hình thành từ hỗn hợp gel này thử nghiệm trong xương đùi chuột [45] Người ta cũng nghiên cứu quá trình hình thành compozit HA/Alg dạng sợi (đường kính khoảng 10 µm) thông qua dung dịch natri alginat pha trộn với tinh thể

HA được chiết suất từ xương đùi lợn trong dung dịch CaCl2

Đặc điểm chung quá trình tổng hợp compozit HA/Alg bằng phương pháp trộn cơ học thông thường là sự tham gia của Ca2+ liên kết ngang với alginat Tuy nhiên, sự liên kết bề mặt giữa pha vô cơ và polyme trong vật liệu này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu

1.4 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT 1.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction, XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể

và kích thước hạt với độ tin cậy cao [7]

Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X: Chiếu tia X vào tinh thể,

khi đó các nguyên tử bị kích thích và trở thành các tâm phát sóng thứ cấp Các sóng thứ cấp này (tia X, điện tử, nơron) triệt tiêu với nhau theo một phương và tăng cường nhau theo một số phương tạo nên hình ảnh giao thoa Hình ảnh này phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể Từ việc phân tích hình ảnh đó, ta có thể biết được cách sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng Qua đó xác định được cấu trúc mạng tinh thể, các pha cấu trúc trong vật liệu…

Phương trình nhiễu xạ Bragg: Một cách giải thích đơn giản về hiện tượng

nhiễu xạ và được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết nhiễu xạ tia X trên tinh thể, đó là

lý thuyết nhiễu xạ Bragg Theo đó, ta coi mạng tinh thể là tập hợp của các mặt phẳng song song cách nhau một khoảng d Khi chiếu tia X vào bề mặt, do tia X có khả năng đâm xuyên mạnh nên không chỉ những nguyên tử bề mặt mà cả những nguyên tử bên trong cũng tham gia vào quá trình tán xạ

26

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X

Điều kiện có cực đại giao thoa (phương trình Vulf-Bragg):

n.λ = 2.d.sinθ (1.10)

Trong đó, n là bậc phản xạ (số nguyên dương), λ là bước sóng của tia tới, d

là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, θ là góc giữa chùm tia X

Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể Trên giản

đồ căn cứ vào giá trị cực đại (giá trị 2θ) có thể tính được d theo phương trình (1.10) Bằng phương pháp này chất cần nghiên cứu sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể

Ngoài việc xác định cấu trúc, phương pháp XRD còn cho phép xác định kích thước của tinh thể Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước tinh thể trung bình của tinh thể theo phương trình:

D = k.λ /B.cosθ (1.11)

D là kích thước tinh thể trung bình (nm), θ là góc nhiễu xạ, B là độ rộng vạch nhiễu xạ đặc trưng (radian) lấy giá trị bằng nửa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,88o đối với HA), λ = 1,5406 Å là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của tinh thể và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA lấy

k = 0,9)

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, độ tinh thể được tính toán theo phương pháp phân giải vạch, theo công thức

C = 100% (1.12)

27

Trong đó: C là độ tinh thể của bột HA;

Y là chiều cao của pic đặc trưng (với HA, thường chọn pic có chỉ

số Miller 300);

X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic có chỉ số

Miller 300 và 112)

Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA

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

Để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu thường dùng phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) Trên phổ dựa vào các tần số đặc trưng của các nhóm chức trong phân tử mà có thể xác định sự có mặt của các nhóm chức đó có trong mẫu Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chức đều bị kích thích Phổ dao động - quay của phân tử được phát sinh do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay Dạng năng lượng được sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hóa, nghĩa là chỉ có thể biến thiên một cách gián đoạn Hiệu số năng lượng được tính theo công thức Bohr:

ΔE = hν (1.13) Trong đó: ΔE là biến thiên năng lượng;

h là hằng số Planck;

ν là tần số dao động

28

Bằng phương pháp FTIR, compozit HA/alginat được phân tích để xác định

sự có mặt của các nhóm chức đặc trưng cho cả HA và alginat HA có 2 nhóm chức

là OH- và PO43-, alginat có nhóm OH-, COO-, -C-O-C- Ngoài ra trong mẫu có thể

có các nhóm khác như CO32-, HPO42-

1.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử

1.4.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM)

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng chùm điện tử quyét lên bề mặt mẫu

và thu nhận lại chùm tia phản xạ Qua việc xử lí chùm tia phản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM

Phương pháp SEM này cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần Chùm điện tử được tạo ra qua hai tụ quang rồi

sẽ được hội tụ lên mẫu cần nghiên cứu Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện

tử phản xạ thứ cấp Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuyếch 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 tối trên màn hình phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu đồng thời còn phụ

Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử

Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai sung phóng điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện 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 sáng, tín hiệu này được khuyếch đại rồi được đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn ảnh Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh, độ sáng tối phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu

Thấu kính điện tử đặt bên trong hệ đo là bộ phận giúp phóng đại của phương pháp TEM Thấu kính này có khả năng thay đổi được tiêu cự Khi tia điện tử có bước sóng cỡ 0,4 nm chiếu lên mẫu ở hiệu điện thế khoảng 100 kV, ảnh thu được cho biết chi tiết hình thái học của mẫu theo độ tương phản tán xạ và tương phản nhiễu xạ và qua đó có thể xác định được kích thước hạt một cách khá chính xác [3]

1.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA)

Phương pháp phân tích nhiệt là một trong những phương pháp hóa lý thường được dùng để phân tích cấu trúc của vật liệu, cung cấp cho ta những thông tin về tính chất nhiệt của vật liệu

30

Trên giản đồ phân tích nhiệt có nhiều đường khác nhau, thông thường người

ta quan tâm tới 2 đường cong quan trọng là đường DTA và đường TGA Đường DTA cho biết khi nào có hiệu ứng thu nhiệt (cực tiểu trên đường cong), khi nào có hiệu ứng phát nhiệt (cực đại trên đường cong) Từ đường TGA có thể biết biến thiên khối lượng mẫu trong quá trình gia nhiệt Mỗi quá trình biến đổi hóa học như các phản ứng pha rắn, sự phân hủy mẫu hay các biến đổi vật lí như sự chuyển pha thường đều có một hiệu ứng nhiệt tương ứng Các quá trình trên có thể kèm theo sự thay đổi khối lượng của mẫu chất nghiên cứu, ví dụ quá trình thăng hoa, bay hơi hay các phản ứng phân hủy, hoặc không đi kèm với sự thay đổi khối lượng mẫu như quá trình chuyển pha, phá vỡ mạng tinh thể,… Dựa vào việc tính toán các hiệu ứng mất khối lượng và các hiệu ứng nhiệt tương ứng mà ta có thể dự đoán được các giai đoạn cơ bản xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của mẫu [6]

- Đũa thủy tinh, thìa cân, quả bóp, con từ;

- Giấy đo pH vạn năng;

- Nhiệt kết thủy ngân 100oC;

- Máy khuấy từ gia nhiệt;

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

Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại P (Trung Quốc);

Canxi hidroxit Ca(OH)2, loại P (Trung Quốc);

Alginat: sản phẩm loại sạch được tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam) do Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang cung cấp;