Nghiên cứu tổng hợp canxi hydroxyapatit trên nền alginat tách từ rong biển nha trang

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

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

Mã số : 60 44 01 13

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………

40

47

50

56

58 62

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)………

45

47

48

49

51

52

53

54

55

56

57

59

60

60

62

63

63

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:

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hydroxyapatit

Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit Ca(OH) 2, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia

Hà Nội

2 Trần Thị Hải Hậu (2011), Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocompozit

hydroxyapatit trên nền polyme hữu cơ maltodextrin, Khóa luận tốt nghiệp, Đại

học Công nghiệp Hà Nội

3 Vũ Duy Hiển (2009), Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng hóa lý của

hydroxyapatit dạng khối xốp có khả năng ứng dụng trong phẫu thuật chỉnh hình, Luận án Tiến sĩ Hóa học, Viện Hóa học - Viện Khoa học và Công Nghệ

Việt Nam

4 Nguyễn Thị Lan Hương, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2013), “Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến một số đặc trưng của compozit hydroxyapatite/maltodextrin tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp”,

Tạp chí Hóa học, 51(3AB), tr 245-248

5 Nguyễn Văn Khôi (2005), Polysaccarit và ứng dụng các dẫn xuất tan của

chúng trong thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

6 Đỗ Ngọc Liên (2006), Nghiên cứu qui trình tổng hợp bột và chế thử gốm xốp

hydroxyapatit, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ (Bộ Khoa

học và Công nghệ)

7 Dương Thùy Linh (2009), Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng

bột hydroxyapatit kích thước nano tổng hợp từ canxinitrat, Luận văn Thạc sĩ

hóa học, Đại học Sư phạm Hà Nội

8 Lê Anh Tuấn (2009), Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit

polyme-hydroxyapatit cho mục đích ứng dụng trong y sinh, Báo cáo tổng kết đề tài

68

Nghiên cứu Khoa học & Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

9 Đoàn Thị Yến (2012), Tổng hợp hydroxyapatit ở nhiệt độ thấp và chế tạo

compozit hydroxyapatit trên tinh bột từ canxinitrat, Khóa luận tốt nghiệp, Đại

học Công nghiệp Hà Nội

Tiếng Anh

10 Amit Y Desai (2007), Fabricantion and Characterization of Titanium-doped

Hydroxyapatit Thin Films, Master Dissertation, Trinity College University of

Cambridge

11 Billotte W.C (2007), “Ceramic Biomechains”, Taylor & Francis Group, LLC,

Biomaterials, p 38-71

12 Binnaz Hazar Yoruc A., Yeliz Koca (2009), “Double step stirring: A novel

method for precipitation of nano-size hydroxyapatite powder”, Digest Journal

of Nanomaterials and Biostructures, 4(1), p 73-81

13 Buddy D Ratner (2006), Engineering the Biointerface for Enhanced

Bioelectrode and Biosensor Performance, Departments of Bioengineering and

Chemical Engineering, University of Washington Engineered Biomaterials (UWEB)

14 Draget K., Smidsrød O., Skják-Brek G (2005), “Alginates from Algae”,

Polysaccharides and Polyamides in the Food Intrstry, Properties Production, and Patents, p 1-30

15 Fei Chen, Zhou-Cheng Wang and Chang-Jian Lin (2002), “Preparation and

characterization of nano-sized hydroxyapatite particles and hydroxyapatite/chitosan nano-composite for use in biomedical materials”,

Materials Letters, 57(4), p 858-861

16 Ferraz M.P., Monteiro F.J (2004), Manuel C.M., “Hydroxyapatite

Nanoparticles:A Review of Preparation Methodologies”, Journal of Applied

Biomaterials & Biomechanics, 2(1), p 74-80