NGHIÊN cứu TÍNH CHẤT NANO BIOCOMPOSITE HYDROGEL TRÊN cơ sở MMT NA+ và ỨNG DỤNG TRONG tái tạo XƯƠNG

Hydrogel trên cơ sở cácvật liệu thiên nhiên ngày càng nhận được sự phân phối các hoạt chất mang tính sinhhọc trong lĩnh vực tái tạo mô, da và xương,… Vật liệu y sinh đã và đang được quan

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT

NANO-BIOCOMPOSITE HYDROGEL TRÊN CƠ

TÁI TẠO XƯƠNG

“Hydrogel thông minh” như là công cụ cho sự tiến bộ trong ngành khoa học và đặc biệt

là mở ra con đường mới cho việc nghiên cứu cho ngàng y học Hydrogel trên cơ sở cácvật liệu thiên nhiên ngày càng nhận được sự phân phối các hoạt chất mang tính sinhhọc trong lĩnh vực tái tạo mô, da và xương,…

Vật liệu y sinh đã và đang được quan tâm nghiên cứu để đáp ứng nhu cầuthay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữatrị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thương do chấn thương, bệnh tấthoặc lão hóa

Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho xương, nhiều loại vật liệu dùng trong cấyghép và thay thế xương đã phát triển trong những thập kỷ qua như kim loại và hợp kim(titan, hợp kim của titan, thép không rỉ,…) Những vật liệu này tuy tương hợp sinh họcnhưng tính chất cơ lý của kim loại, hợp kim khác biệt nhiều so với xương dẫn đến nguy

cơ gãy xương do kém tương thích giữa thành xương tiếp xúc với kim loại ghép

Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới hiện nay quan tâm đến vật liệu có thểtạo ra được Hydroxyapatite (HA) HA có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh họccao và khả năng chữa lành xương do thành phần tương tự thành phần khoáng trongxương Mặt khác, HA có thể từ từ hóa tan trong cơ thể giải phóng in Calcium vàPhosphate có lợi trong việc hình thành và phát triển xương

Các công trình nghiên cứu vật liệu Hydrogel Composite có khả năng tái tạoxương trên cở sở các Polymer tự nhiên như gelatin, chitosan, hyaluronic acid, collagen,

…Tuy nhiên vẫn chưa sử dụng MMT/Na+ trong vật liệu Hydrogel Composite để tái tạo

xương Chính vì lẽ đó, chúng tôi chọn đề tài : “Nghiên cứu tính chất Biocomposite Hydrogel trên cơ sở MMT/Na + và ứng dụng trong tái tạo xương”

Nano-Cấu trúc xốp 3D của hydrogel tạo điều kiện cho tế bào phát triển bên trong vật liệugiúp xương phát triển bên trong vật liệu Vật liệu trên tương tự các thành phần củaxương Algiante là một polysaccharide phân hủy sinh học, tương thích với extracellular

matrix của tế bào Hydrogel Composite này tạo môi trường phỏng theo môi trường sinhhọc của xương với sự tương hợp sinh học cao, khi Hydrogel Composite phân hủy sinhhọc sẽ thúc đẩy quá trình tái tạo mô xương, xương mới hình thành thay thế dầnHydrogel Composite được cấy ghép.

Mục tiêu của luận văn

Tạo hệ Nano-Bicomposite Hydrogel dựa trên cở sở Na-MMT/Alginate cókhả năng thích ứng với cơ thể và từ đó kích thích tạo thành khoáng xươngHydroxyapatite (HA)

Nội dung thực hiện

- Quá trình xử lý và biến tính Bentonite bằng dung dich muối Natri Clorua

- Khảo sát thời gian gel hóa của hệ Hydrogel với từng nồng độ cation khác nhau

- Khảo sát thời gian phân hủy của hệ Hydrogel trong in vivo

- Khảo sát khả năng hình thành khoáng xương HA từ hệ HydrogelNa-MMT/Alginate

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT

1.1 Hydrogel

1.1.1 Khái quát về Hydrogel

Hydrogel là Polymer mạng không gian ba chiều có khả năng hấp thụ mộtlượng nước hoặc chất lỏng sinh học [35]

Hydrogel được hình thành thông qua quá trình trùng hợp sol-gel, trong đóchúng chuyển từ trạng thái lỏng, chảy (sol) sang trạng thái rắn (gel) [29] Hydrogel cónhững tính chất đặc trưng quan trọng như tính cơ tính, tính chất gần giống với các tếbào tự nhiên, có khả năng thích nghi với các điều kiện bên trong cơ thể của con người

và động vật, độ linh động của Hydrogel cao Ngoài ra, còn có thêm một số Hydrogel cóthể thích nghi với các sự thay đổi của điều kiện môi trường lý hóa,… Sự trương nở và

độ co rút lại của Hydrogel phụ thuộc vào môi trường pH, từ trường, nhiệt độ và ánhsáng,… [31]

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng lưới Hydrogel

1.1.2 Phân loại Hydrogel

 Phân loại Hydrogel theo nguồn gốc

Nguồn gốc của Hydrogel bao gồm: Tự nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp

Hydrogel tự nhiên: Alginic Acid, Pectin, Polymysine, Chistosan,…

Hydrogel tổng hợp: PEG, Polyhydroxyethyl Methacrylate (PHEMA),Polyvinyl Alchohol (PVA),… [10]

Hydrogel bán tổng hợp: Collagel-Acrylate, Alginate-Acrylate,…

 Phân loại Hydrogel theo cấu trúc

Hydrogel vô định hình là các Hydrogel mà mạch của chúng được sắp xếpmột cách ngẫu nhiên không có trật tự

Hydrogel bán kết tinh là các Hydrogel có những phân tử lớn có cấu trúc tồntại ở những vùng tập trung

Hydrogel liên kết hydro: Trong Hydrogel, cấu trúc và độ ổn định của cácphân tử nước bị ảnh hưởng bởi các liên kết Các nhóm có cực trong Polymer liên kếtchặt chẽ với các phân tử nước và từ đó hình thành liên kết hydro gây ra các hiệu ứng

kỵ nước xảy ra [36] Nhứng hiệu ứng kỵ nước này được khai thác làm các Hydrogel cómối nối hóa học ngang có khả năng chữa bệnh

 Phân loại Hydrogel theo khả năng dẫn thuốc

Dựa vào sự trương nở và khả năng thích ứng sinh học mà Hydrogel có thểkiểm soát được môi trường chất lỏng mà chúng nhận được khi đưa vào cơ thể [11], vớinhứng đặc tính ưu việt này mà chúng được sử dụng là vật liệu dẫn thuốc có kiểm soát

Vị trí Hydrogel bám chặt vào cơ thể sẽ được xác định bởi các phản ứng hóa học của nóvới các mô xung quanh trong cơ thể

Ngoài ra, còn có Hydrogel thông minh được ứng trong việc dẫn truyềnthuốc Hydrogel thông minh nhạy cảm với các kích thích thay đổi của môi trường nhưnhiệt độ và pH Những thay đổi của môi trường sẽ làm thay đổi tính trương nở củaHydrogel và có thể làm tăng hoặc giảm khả năng giải phóng thuốc Ví dụ điển hình làHydrogel giải phóng Insulin trong máu cho những người bệnh tiểu đường khi có lượngđường máu cao [46] Những Hydrogel Glucose nhạy cảm này được thay đổi bằngenzym Oxidase Glucose Trong sự hiện diện của Glucose, Glucose Oxidase sẽ xúc tácphản ứng kết thúc ở mức tăng H+ này làm tăng độ pH của môi trường xung quanh và

do đó gây sự thay đổi trong Hydrogel thông minh từ đó bắt đầu giải phóng insulin

 Phân loại Hydrogel theo mạng tải điện

Hydrogel được phân chia làm 4 loại dựa vào việc có tồn tại hay không củacác điện tích nằm trên các chuỗi mối nối liên kết ngang

- Cation và Anion

- Nonionic

- Amphoteric electrolyte (Ampholytic)

- Zwitterionic (Polybetaines)

 Phân loại Hydrogel theo từng loại tính chất

Dựa vào các tính chất chủ yếu của Hydrogel ta phân Hydrogel theo nhữngloại chính như sau:

- Hydrogel nhạy cảm về pH, điện, áp suất, đường, ánh sáng, enzym

 Phân loại Hydrogel theo khả năng hấp thụ nước

Các Polymer Hydrogel có khả năng hấp thụ nước theo cơ chế hóa học là

do các liên kết hóa học gây ra Điển hình là liên kết cộng hóa trị Ví dụ như khi có sựtác dụng của các chất tạo cầu nối trong mạng thì Polymer Vinyl sẽ tạo thành các mạngkhông gian ba chiều

Những liên kết Hydro, liên kết Vander Waals, liên kết cầu (cross-link) tạonên khả năng hấp thụ nước theo cơ chế vật lý của Hydrogel, ngoài ra nó còn là sựtương tác vật lý giữa các chuỗi trong mạch Polymer

1.1.3 Tính chất của Hydrogel

Một Hydrogel là một hỗn hợp của một chất rắn (một Polymer) và một chấtlỏng (nước) Các tính chất của Hydrogel cũng được xác định bởi thành phần của hỗnhợp đó (tỷ lệ Polymer-nước) Theo hình 1.2, một Hydrogel có độ trương thấp hoặc caođược đặc trưng bởi tỷ lệ Polymer-nước thấp cao tương ứng Hàm lượng chất rắn/lỏng

của Hydrogel được xác định bởi tỷ lệ liên kết ngang/Monomer trong quá trình tổng hợpHydrogel hoắc sau quá trình tổng hợp Hydrogel [44].

Hình 1.2: Tính chất Composite của Hydrogel

 Khả năng trương nở

Sự hấp thụ nước trong Hydrogel phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thông sốmạng lưới, bản chất dung dịch, cấu trúc Hydrogel (xốp hay không xốp) và kỹ thuật sấy.Yếu tố quan trọng nhất là mật độ liên kết chéo, ở khoảng cách càng ngắn mật độ liênkết chéo càng cao Tuy nhiên, độ lớn của mật độ liên kết chéo xác định tính năngtrương nở của một Hydrogel nhất định Cơ chế hấp thụ nước trong Hydrogel liên kếtngang có khả năng thay đổi theo một quá trính khuếch tán duy nhất khi chuyển độngchuỗi Polymer là giới hạn bởi mật độ liên kết chéo cao Nói cách khác, một Hydrogelliên kết ngang hoạt động giống như một lưới kim loại cho phép một lượng nước liêntục đi qua [44]

 Nước chứa trong Hydrogel

Nước tồn tại trong cấu trúc của Hydrogel có thể phân làm 4 loại như hình1.3 Nước ở lớp ngoài cùng là nước tự do và có thể dễ dàng được loại bỏ khỏi

Hydrogel trong điều kiện nhẹ Nước xen kẽ là loại nước không được gắn vào mạngHydrogel, nhưng bị kẹt lại giữa các chuỗi Polymer hydrat hóa Nước liên kết được gắntrực tiếp chuỗi Polymer thông qua quá trình hydrat hóa các nhóm chức hoặc ion Nước

bị ràng buộc vẫn là một phần không thể thiếu trong cấu trúc Hydrogel và chỉ được tách

ra ở nhiệt độ rất cao Nước bán ràng buộc là một loại nước có tính chất trung gian giữanước bị ràng buộc và nước tự do Mặc dù các lớp nước khác có thể được cung cấp chocấu trúc Hydrogel, nhưng chúng có tương tác yếu hơn nhiều với các nhóm chức và ionkhi chúng ở xa các lõi chức năng Nước tự do và nước xen kẽ có thể được loại bỏ khỏiHydrogel bằng cách ly tâm và nén cơ học [44]

Hình 1.3: Những loại nước khác trong cấu trúc Hydrogel

 Tính tương thích sinh học của Hydrogel

Các vật liệu Polymer Hydrogel có khả năng tương thích đặc biệt với cơ thể

sẽ được sử dụng làm vật liệu y sinh, để làm được điều đó chúng đều phải trải qua cácquá trình thử nghiệm về độc tế bào và độc tính trong môi trường in vivo Các Monomerchưa phản ứng, các Oligomer và chất khơi mào giải phóng trong quá trình ứng dụng sẽgây các vấn đề về độc tính Sử dụng các bức xạ γ trong kỹ thuật trùng hợp để làm giảmkhả năng gây độc khi sử dụng các chất khơi mào Tránh các Monomer chưa phản ứng

và sản phẩm phụ gây độc nhờ vào động lực học của quá trình trùng hợp để đạt độchuyển hóa cao hơn

1.1.4 Ứng dụng của Hydrogel

Hydrogel được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực quan trọng, do chúng

có cấu trúc thích ứng với sự thay đổi của môi trường thông thường, không những thếchúng có khả năng linh hoạt do có thể chứa nước trong các lớp cấu trúc Từ đóHydrogel được sử dụng rộng rãi trong đời sống của con người

 Băng gạc vết thương thông minh

Loại băng gạc dùng để băng bó vết thương ở các bệnh viện hay băng cánhân của tủ thuốc cấp cứu ở nhà có thể bị thay thế trong tương lai trong không xa Các

kỹ sử của Viện Công Nghệ Massachusetts (MIT), Mỹ đã phát minh một loại vật liệu dễdàng dùng làm băng gạc trông giống như gel dính , co giãn được Đồng thời, nó còn rấtthông minh khi có thể tương tác với cảm ứng nhiệt độ, đèn Led hay các thiết bị điện tửkhác Nó cũng có thể dùng chứa thuốc điều trị và tự biết giải phóng thuốc khi cần thiết

Các “Băng gạc vết thương thông minh” loại này sẽ tự biết khi nào cần giảiphóng thuốc vào cơ thể người bệnh, đáp ứng chính xác sự thay đổi nhiệt độ theo làn dacon người Nó thậm chí, còn có thể phát ra ánh sáng cảnh báo nếu việc hấp thụ thuốcchưa đáp ứng đủ liều, lượng theo yêu cầu

Với loại băng gạc vết thương dạng gel này thì chúng ta không còn e ngạiviệc người bệnh uốn cong đầu gối hay vết thương ở vị trí khuỷu tay bởi độ co giãn của

nó là cực cao

Hình 1.4: Các Hydrogel thế hệ mới rất linh hoạtNhóm nghiên cứu đã thiết kế và phát triển Hydrogel thế hệ mới do Giáo sưXuanhe Zhao, thuộc khoa Kỹ thuật cơ khí của MIT dẫn đầu Theo nghiên cứu đượccông bố trên Nature Materials, Hydrogel được ứng dụng trong nhiều sản phẩm khácnhau, từ kính áp tròng mềm cho đến bao cao su dùng một lần, gel vuốt tóc, kem đánhrăng… Khi Hydrogel Alginate kết hợp với lô hội cho ra loại băng gạc vết thương cóthể giữ vết thương ẩm cho phép tái tạo lại tế bào nhanh hơn.

Gavin Braithwaite, làm việc ở Tập đoàn Polymer Cambridge - Boston,Massachusetts (Mỹ), cho rằng Hydrogel chứa 80% là nước, dễ dàng thẩm thấu và córất nhiều chức năng phong phú Vật liệu này trong tương lai gần sẽ có một viễn cảnhtươi sáng trong việc tái phát triển tủy sống, dây thần kinh và các kỹ thuật mô, và thậmchí cả các hệ cơ quan khác

Được biết băng gạc bằng vật liệu Hydrogel không phải là mới, nó được biếtđến từ năm 1950 Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây đã cách mạng hóa vật liệu này.Hydrogel thế hệ cũ bao gồm gel tự do dạng lỏng, chứa trong các ống hay các gói giấybạc Khi sử dụng bôi gel này lên một miếng gạc, vải, hoặc một tấm lưới sợi mỏng

Băng Hydrogel cung cấp độ ẩm, thúc đẩy chữa bệnh và loại bỏ mô chết từvết thương Nhờ hàm lượng nước cao, băng Hydrogel làm mát vết thương và làm giảmtriệu chứng đau Hydrogel cũng ngăn chặn băng gạc dính vào bề mặt vết thương gâykhó khăn khi thay băng mới cho người bệnh Hydrogel thế hệ mới có thể ở bất cứ dạngnào: rắn, dẻo, lỏng… chúng dễ dàng được điều chỉnh thành phần cấu trúc để đáp ứngnhu cầu sử dụng

 Cây cảnh thông minh

Trong nông nghiệp thì Hydrogel được ứng dụng chủ yếu là để giữ nước vàchất dinh dưỡng cho cây, giúp cây có chịu hạn tốt hơn Nhờ đặc điểm ưu việt này mà ởmột số nước phát triển sử dụng Hydrogel để trồng cây ở những nơi có điều kiện khắcnghiệt như hoang mạc, không gian

Hình 1.5: Hydrogel giúp giữ nước cho cây trong điều kiện khắc nghiệt

 Loại bỏ kim loại nặng

Trong những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trong nước vẫnluôn là một bài toán khó giải Sự tồn tại kim loại nặng trong nước, đặc biệt là nướcdùng cho sinh hoạt ăn uống là một trong những mối đe dọa đến sức khỏe và tính mạng

con người Do đó, việc loại trừ các ion kim loại nặng ra khỏi nguồn nước là một vấn đềhết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Hiện nay, các công nghệ thườngđược sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước gồm có phương pháp kết tủahóa học, trao đổi ion, tuyển nổi và lắng đọng điện hóa [45-9].Tuy nhiên, hầu hết cácphương pháp trên đều tiêu tốn nhiều năng lượng và có giá thành khá cao [18] Côngnghệ màng sinh học tổng hợp xuất hiện với những tính năng vượt trội trong việc loại

bỏ các ion kim loại nặng trong nước dựa trên các quá trình hấp phụ và thấm - bốc hơiqua màng Màng sinh học tổng hợp không những đạt hiệu quả cao trong quá trình xử lý

mà còn tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành [15-25] Trong số đó, phải kể đếnmàng sinh học Chitosan/Cellulose được tổng hợp dựa trên các tính chất đặc biệt củaChitosan và Cellulose [26], Chitosan/Cellulose Acetat [9],… trong đó Chitosan là mộttrong những Polymer sinh học với những tính chất đặc biệt như khả năng tích điệndương, có độ nhớt cao Về mặt hóa học, Chitosan còn có các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-axetyl-Dglucozamin và nhóm -OH, nhóm -NH2 trongcác mắt xích D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là Ancol, vừa là Amin, vừa là amit nênphản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thếN-, hoặc dẫn xuất thế O-, N

Ngoài ra Chitosan có thể hình thành các phức hợp với nhiều chất trong tựnhiên và các phức này thường không tan trong nước tạo thành dạng màng Hydrogelđược ứng dụng rộng rãi trong công nghệ tổng hợp màng sinh học [50] Zeolite là mộtloại aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba chiều, có các lỗ xốp đặc biệt chophép chúng phân chia phân tử theo hình dạng và kích thước vì vậy, zeolite còn đượcgọi là hợp chất rây phân tử., ngoài ra Zeolite có 4 tính chất quan trọng là trao đổication, hấp phụ, xúc tác và chọn lọc hình dạng [28] Dựa vào những tính chất đặc biệt

đó mà Zeolite thường được sử dụng trong xử lý khí thải, nước thải và đặc biệt là xử lýkim loại nặng trong nước [40-27]

 Công nghệ in 3D - ứng dụng tái tạo mô, cơ quan cơ thể

Công nghệ mô (Tissue Engineer) là lĩnh vực phát triển nhanh chóng gồmkhoa học vật liệu sinh học, sinh học tế bào, tương tác giữa vật liệu- tế bào và các đặctính bề mặt Các nghiên cứu trong lĩnh vực này đều nhằm mục đích phục hồi, bảo tồnhoặc tăng cường chức năng mô đồng thời thay thế các cơ quan, mô bị tổn thương,khiếm khuyết hoặc bị mất do tai nạn hay một bệnh nào đó [1]

Mô hoặc cơ quan có thể tạo thành thông qua một số phương pháp, trong đóphương pháp phổ biến nhất liên quan tới thu nhận các tế bào đặc hiệu mô từ mẫu sinhthiết mô nhỏ của bệnh nhân và thu nhận bằng nuôi cấy invitro Các tế bào thu nhận sau

đó được tăng sinh và cấy vào khung 3D (Three-Dimension Scaffold) có cấu trúc bắtchước chất nền ngoại bào (Extracellular Matrices-ECM, có tác dụng ổn định cấu trúc tếbào và thực hiện một số chức năng khác) của mô mục tiêu

Hình 1.6: a) Cấu trúc hệ thống in mô-cơ quan ITOP, b) Cấu trúc in 3D, c) Quy trình in

mô sử dụng hệ thông ITOP

Để giữ các tế bào lắng, nhóm nghiên cứu của Atala đã tạo ra Hydrogel đóngvai trò scaffold gồm fibrinogen (tăng cường độ ổn định của cấu trúc và tạo ra vi môitrường giúp các tế bào bám chặt và tăng sinh), gelatin (có đặc tính đông đặc và hóalỏng tại các nhiệt độ thích hợp), Hyaluronic Acid và Glycerol (cả hai đều tạo ra kếtcấu chuẩn xác cho scaffold)

Hydrogel là một loại mực in sinh học (bioink) phổ biến được dùng trongcông nghệ mô, có thể ở dạng tự nhiên hoặc tổng hợp Hydrogel được sử dụng phổ biến

trong quá trình in sinh học, giúp ổn định các tế bào và bắt chước môi trường chất nềnngoại bào (extracellular maitrix-ECM) giúp tế bào phát triển và có tính linh động tương

tự các mô tự nhiên Một số Hydrogel thường được sử dụng trong công nghệ in mô và

cơ quan gồm Alginate, Collagen, Gelatin, Methacrylate, Hyaluronic Acid, Fibrin,Polyethanol Glycol và Pluronic F127 Trong quá trình in cơ quan 3D, các tế bào sẽđược đưa vào các lớp Hydrogel theo thứ tự tạo lớp Hydrogel, đưa tế bào vào trong, sau

đó lại tạo một lớp Hydrogel và quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành quá trình in

Nhìn chung, Hydrogel sử sụng trong công nghệ in 3D cần đạt các tiêu chuẩnsau: 1) không độc, 2) ổn định hình dạng của cấu trúc được in và hình thái bên trong sauquá trình lắng đọng (deposition), 3) có tính ổn định và các đặc tính hóa học phù hợpcho nuôi cấy invitro và quá trình cấy ghép invivo, 4) bảo đảm khả năng sống sót vàchức năng của tế bào, 5) dễ thao tác Ngoài ra, Hydrogel cần phải cung cấp cho các tếbào được cấy vào sự kích thích sinh hóa và vật lý phù hợp để dẫn dắt các quá trình tếbào khác nhau như sự di chuyển của tế bào, tăng sinh và biệt hóa

1.2 Bentonite

1.2.1 Giới thiệu về Bentonite

Bentonite là một loại khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp (Smectite: sét lớp),được hình thành từ núi lửa phun trào [43]

Sét lớp (Smectite) có cấu trúc 2:1 gồm hai mạng tứ diện của SiO4 liên kếtvới một mạng bát diện ở giữa AlO6 được biểu diễn như hình 1.7

Trong quá trình phong hóa lâu dài, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm,…thành phần hóa học của Bentonite biến đổi theo từng niên đại, địa phương,… do sựthay thế đồng hình của các kim loại trong các mạng tứ diện và bát diện Bentonite làtên đại diện cho một số sét lớp 2:1 có thành phần hóa học khác nhau nhưMontmorillonit (MMT), Beidellit (BEI), Nontronit (NONT) [43]

Hình 1.7: Cấu trúc không gian của BentoniteBentonite phổ biến nhất, thường gặp nhiều nơi trên thế giới là Bentonitechứa sét lớp 2:1 montmorillonit (MMT) được thể hiện như hình 1.7 Thành phần hóa

đơn vị cấu trúc cơ bản của một dạng MMT được biểu diễn bởi công thức:(Na,Ca)0,8(Si7,8Al0,2)IV(Al3,4Mg0,6)VIO20(OH)4

Độ dày của lớp cấu trúc 3 mạng (2 tứ diện và 1 bát diện) khoảng 9,4 Å,

khoảng cách d001 từ mặt đáy tứ diện lớp 2:1 này đến mặt đáy tứ diện của lớp 2:1

khác khoảng 15 Å Nghĩa là khoảng cách (khoảng trống) giữa 2 lớp 2:1 là

d = 1,5 – 9,4 = 5,6 Å 6 Å Do sự thay thế đồng hình giữa các ion Al3+ cho Si4+trong mạng tứ diện và Mg2+ cho Al3+ trong mạng bát diện mà bề mặt của hai lớp sétmang điện tích âm Điện tích này được bù trừ bởi các cation trao đổi ở trạng tháihydrat hóa nằm ở trong không gian giữa hai lớp 2:1

1.2.2 Phân loại Bentonite

 Sodium Bentonite

Natri Bentonite nở ra khi ướt, hấp thụ nước gấp nhiều lần khối lượng khôcủa nó ban đầu Đặc tính trương nở đặc biệt của Natri Bentonite khiến nó trở thành mộtvật liệu hữu ích như một chất bịt kín, nó cung cấp một hàng rào tự thấm và độ thấmthấp [27]

1.2.3 Tính chất của Bentonite

 Tính trương nở

Tính trương nở là tính chất khi Bentonite hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc vớinước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này

5 tăng lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại Bentonite và lượng nước bị hấp thụ

Sự tăng khoảng cách lớp được giải thích do sự hydrate hóa của các cation giữa cáclớp Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thếđồng hình trong môi trường phân tán Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớpphụ thuộc vào khả năng hydrate hóa của các cation

Do bề mặt của các tập mang điện tích âm, trên bề mặt chúng có thể phân bốcác cation hoá trị từ 1, 2 đến 3 Chủ yếu đó là các ion Na+, K+, Ca2+

,Mg2+ và Fe2+.Trong quá trình tương tác với nước xung quanh các cation này được hình thành cáclớp vỏ hydrate và do đó dẫn đến hiện tượng trương nở trong tập hợp các tập sét này.Khả năng hydrate hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm và đầu tiên phải kể đến làNatri Có khả năng trương nở ít hơn đáng kể là các ion kim loại kiềm thổ – Canxi vàMagie

Khả năng trương nở và tăng thể tích của smectite (từ 2 – 20 lần) đã xác địnhtính năng công nghiệp của chúng Theo thành phần ion trao đổi, Bentonite được chialàm loại kiềm và kiềm thổ Đối với Bentonite kiềm, ion Na+ chiếm ưu thế trong tổhợp ion trao đổi Do ion Na+ có khả năng thu hút một lƣợng lớn các nhóm hydrate

mà MMT có hàm lượng Natri cao có khả năng trương nở lớn nhất Bentonite với ion

Ca2+ chiếm ưu thế được gọi là Bentonite Canxi Ngoài Ca2+ trong MMT có thể có

Mg2+ với số lượng đôi khi vượt cả Ca2+ Song thường gặp hơn cả là biến thể củaBentonite Canxi – Magie Có thể thay đổi tính chất của Bentonite Canxi và Canxi –Magie bằng cách xử lý chúng với các dung dịch muối Natri Quá trình trao đổi iondiễn ra được gọi là biến tính và kết quả ta nhận được Bentonite biến tính Natri.

Trong công nghiệp người ta quy ước chia tất cả các Bentonite tự nhiên dựavào tính trương nở của chúng ra làm 2 nhóm: nhóm trương nở (kiềm) và nhómkhông trương nở hoặc trương nở yếu (kiềm thổ Canxi và Canxi – Magie) Như vậyđặc điểm chủ yếu quyết định chất lương cao của Bentonite chính là tổng lượng cáccation trao đổi và đặc tính chất lượng của chúng Bentonite với số lượng lớn cáccation Ca2+ và Mg2+ có thể chuyển sang dạng Natri bằng con đường biến tính, songnếu như tổng các cation rất nhỏ thì dù có biến tính thì khả năng trương nở củachúng cũng không tăng đáng kể

Bentonite kiềm có đặc trưng độ trương nở, độ tạo keo, độ dẻo và độ kết dínhcao Bentonite kiềm thuộc loại vật liệu có chất lượng cao và được ứng dụng trongnhiều ngành công nghiệp khác nhau

Bentonite kiềm thổ có đặc trưng là có độ ái nước, độ kết dính thấp hơn,nhưng chúng có tính hấp phụ cao hơn Chúng được sử dụng ít hơn trong các ngànhcông nghiệp so với Bentonite kiềm Tuy nhiên Bentonite kiềm thổ nhờ tính hấp phụ

và trao đổi cation mạnh hơn Bentonite kiềm, chúng được dùng nhiều trong nôngnghiệp, chăn nuôi và cải tạo đất [3]

 Tính hấp phụ

MMT có một bề mặt riêng phát triển (lên đến 600 – 800 m2/g) và sự xâmnhập dễ dàng của các ion trong không gian giữa các lớp, tạo nên khả năng trao đổication đáng kể (80 – 150 mmolđl/100g) Các phân tử có phân cực được hấp phụ cảhai bề mặt ngoài và trong, các phân tử không phân cực chỉ hấp phụ ở bề mặt ngoài.Quá trình hấp phụ lên MMT xảy ra theo ba cơ chế:

- Thay thế của các cation hữu cơ với cation của mạng nằm giữa các lớp cơ

bản cũng như trên bề mặt lớp cơ bản của các hạt khoáng Theo cơ chế này là sựhấp phụ trao đổi của MMT, Vermiculite, Hydromica

- Bằng liên kết hydro với nhóm hydroxyl bên ngoài.

- Bằng cách thông qua các liên kết hóa trị “bị hỏng” trên các cạnh và góc

của các hạt tạo ra trong các bước của quá trình phát triển của hạt khoáng [2]

 Tính chất trao đổi ion

Tính chất trao đổi ion là đặc trưng cơ bản của Bentonite Tính chất này đượcđánh giá thông qua giá trị CEC (dung luợng trao đổi cation); giá trị này càng lớn,khả năng trao đổi cation càng nhiều Phương pháp xác định CEC của Bentonite dựatrên quá trình trao đổi hoàn toàn các cation có mặt trong Bentonite với các cation nhưNH4+, K+, Na+, xanh Metylen, phức Co(III) Hexamin, phức Ba, Ag thioure, phức Cu(II) Bisethylenediamintriethylenetetramin và Tetraethylenetetramin [37], phức Cu(II)Bisethylenediaminethylendiamin [10-47] Do vậy giá trị CEC không cố định màthay đổi tùy theo phương pháp sử dụng Tính chất này được giải thích trên cơ sởđiện tích bề mặt của Bentonite Có hai nguyên nhân làm xuất hiện điện tích bề mặtcủa Bentonite

- Thứ nhất, điện tích âm trong mạng lưới của Bentonite xuất hiệnchủ yếu ở mạng bát diện do sự thay thế đồng hình ion Al3+ (hoặc Fe3+) bằng ion

Mg2+, điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế của ion Si4+ bằng ion Al3+ Tuynhiên, điện tích âm này được các cation nằm ở khoảng giữa các lớp củaBentonite trung hòa điện tích Dung lượng trao đổi ion của Bentonite phụ thuộcvào số lượng điện tích âm bề mặt Số lượng cation thay thế đồng hình càng lớnnghĩa là bề mặt càng có nhiều điện tích âm thì dung lượng trao đổi càng lớn

- Thứ hai là do ở gờ các lớp của Bentonite tồn tại các nhóm hydroxyl như

Al-OH, Fe-OH, Si-OH có khả năng trao đổi nhóm OH- hay H+ tùy theo pH củamôi trường, dẫn đến điện tích bề mặt Bentonite có thể dương hoặc âm Tươngtác tĩnh điện tại bề mặt phân cách pha MMT – dung dịch

1.2.4. Các phương pháp tinh chế và biến tính Bentonite

 Phương pháp tinh chế Bentonite

Bentonite tự nhiên khai thác từ các mỏ khác nhau có thành phần khoáng vàthành phần hóa học, các tạp chất kèm theo cũng như tính chất vật lý, hóa lý khácnhau Và ngay trong cùng một mỏ, một vỉa quặng khi khai thác công nghiệp sảnphẩm Bentonite khai thác được cũng khác nhau Để sét Bentonite có thể sử dụng chonhững nhu cầu khác nhau trong các ngành công nghiệp cần sơ chế hoặc tinh chế vàthậm chí biến tính Bentonite thành những sản phẩm phù hợp

Để xác định tinh chế hay biến tính Bentonite có cần thiết hay không, hoặccần

tinh chế biến tính ở mức độ nào cần dựa vào hai yếu tố chính là thành phần khoáng,thành phần tạp chất, tính chất hóa lý của Bentonite như thế nào và nhu cầu và mụcđích sử dụng cho ngành công nghiệp cụ thể đối với sét Bentonite Có những nhucầu có thể sử dụng trực tiếp ngay sét Bentonite không qua khâu tinh chế, mà chỉ cầngia công cơ khí, nghiền, rây sàng để có kích thước hạt đủ lớn theo yêu cầu sử dụng

là có thể sử dụng ngay Tuy nhiên cũng có loại Bentonite khi chất lượng chứa đảmbảo cho mục đích sử dụng thì phải qua giai đoạn tinh chế hoặc thậm chí phải quanhững công đoạn biến tính phức tạp thì mới có thể sử dụng được

 Các phương pháp biến tính Bentonite

Biến tính Bentonite là một khái niệm dùng chung cho các phương pháp xửlý

hóa lý hay hóa học để thay đổi một vài tính chất của Bentonite hoặc làm tăng mộtkhả năng của Bentonite như làm tăng khả năng trao đổi cation (CEC), tăng dunglượng hấp phụ và tăng khả năng hấp phụ chọn lọc của Bentonite so với chưa biếntính, hay đơn giản là tẩy trắng Bentonite

Có một số phương pháp biến tính Bentonite phổ biến như sau:

- Bằng dung dịch muối, hoặc dung dịch kiềm.

- Bằng axit vô cơ.

- Bằng các bazơ hữu cơ.

Sự thay đổi tính chất vật lý quan trọng nhất trong quá trình biến tính axit

là tăng diện tích bề mặt và thể tích trống do đã được hòa tan một phầnbằng cách xử lý với axit Tùy thuộc vào mức độ kích hoạt, các cation

Ca2+, Mg2+ và Na+ bị loại bỏ và một phần Al, Fe, Mg, Si từ các lớp mạng

bị hòa tan Biến tính Bentonite bằng axit cải thiện diện tích bề mặt mộtcách mạnh mẽ (> 200 m2/g) và tăng kích thước lỗ rống Khả năng thayđổi này phụ thuộc vào độ mạnh của axit và thời gian biến tính cũng nhưnhiệt độ Diện tích bề mặt và độ axit trên bề mặt của Bentonite biến tínhquyết định đến tính chất hấp phụ của nó [51]

Độ hấp phụ tối ưu không phụ thuộc vào diện tích bề mặt cực đại bởi vì nókhông chỉ là quá trình hấp phụ vật lý đơn thuần Bên cạnh đó, việc biếntính axit ảnh hưởng đến cả tấm tứ diện và bát diện Vì vậy, có thể đưa đếnkết luận rằng việc thực hiện quá trình biến tính axit có mối liên hệ vớithành phần hóa học và các thông số cấu trúc của sản phẩm biến tính Tuynhiên mối quan hệ định lượng giữa tính chất của đất sét biến tính vớithành phần hóa học và các thông số cấu trúc của nó vẫn còn đang đượcnghiên cứu [19].

Khi biến tính bằng axit thì bề mặt riêng, thể tích trống và kích thước các

vi mao quản tăng có giới hạn theo nồng độ axit

Nhưng bề mặt của Bentonite biến tính axit gần như lại giảm theo sự tăngcủa nồng độ axit Vậy, có thể thu được bề mặt riêng cực đại với thể tíchtrống, đường kính trung bình và bề mặt hoạt động vừa phải [24] Người tanghiên cứu thấy rằng ởđiều kiện trên thì Bentonite – Ca cho kết quả tốthơn là Bentonite – Na

Khi hòa tan Bentonite trong axit, các cation trao đổi và một phần cationtrong cấu trúc bát diện sẽ bị hòa tan hoàn toàn Các ion H+ sẽ chiếm vị trícủa chúng trong cấu trúc giữa các lớp mạng Vận tốc của quá trình hòatan các cation bát diện theo trật tự sau:

Mg2+ > Fe2+ > Fe3+ > Al3+

Hiện nay, hai loại axit thường được sử dụng để biến tính Bentonite làH2SO4 và HCl theo hai hướng chính là sử dụng HCl biến tính Bentonitelàm chất mang xúc tác cho các phản ứng và H2SO4 biến tính Bentonitecho các quá trình hấp phụ

Do trong cấu trúc không gian của Bentonite có các tạp chất bị hòa tan làmcho thể tích riêng của các mao quản tăng lên (các lỗ xốp) dẫn đến lượngnước hấp phụ vật lý tăng lên và lượng nước này dễ dàng bị mất đi bằngcách sấy khô ở 1000C– 1050C Bên cạnh đó, còn một phần nước tách ra

từ các nhóm OH- trong mạng lưới bát diện làm giảm lượng nước cấu trúc

do các cation Al3+ , Fe 3+ , Mg 2+ bị hòa tan bởi axit Khi nồng độ axit càngcao thì lượng kim loại tách ra càng nhiều dẫn đến lượng nước cấu trúcgiảm Tuy nhiên nếu nồng độ axit cao quá có thể xảy ra trường hợp

cấu trúc khung bị phá vỡ ảnh hưởng đến một số tính chất lý hóa củaBentonite [18].

Khả năng trao đổi ion của Bentonite phụ thuộc vào hóa trị và bán kínhcủa

các cation trao đổi, các cation hóa trị nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cationhóa trị lớn Đối với các cation cùng hóa trị thì bán kính ion càng nhỏ, khảnăng trao đổi càng lớn: Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+ Vì vậyBentonite-Na có đặc tính trương nở, tính xúc biến, lưu biến, khả năngtrao đổi ion tốt hơn so với Bentonite-Ca nên có thể sử dụng tốt hơn trongnhiều lĩnh vực: làm khuôn đúc, phụ gia trong sơn, mực in… Vì thế trongnhiều trường hợp người ta phải thực hiện quá trình chuyển hoá Bentonite-

Ca về dạng Bentonite-Na

Trên thế giới, số lượng khoáng Bentonite kiềm thổ (chứa các cation Ca+2,

Mg+2, ) với hàm lượng MMT cao tương đối nhiều, nhưng dạngBentonite kiềm lại mang lại nhiều ứng dụng hơn trong nhiều lĩnh vực Vìvậy đã có rất nhiều nghiên cứu để chuyển hóa Bentonite kiềm thổ vềdạng Bentonite kiềm Những nghiên cứu này đã có từ trước những năm

1950 tại nhiều nước như Mỹ, Liên Xô cũ, Ngày nay công nghệ chuyểnhóa Bentonite kiềm thổ sang dạng Bentonite kiềm đã được đưa vào nhiềunhà máy vận hành và sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn sản phẩm chonhững lĩnh vực khác nhau Ở Hàn Quốc mỗi năm sản xuất hơn 800 nghìntấn sản phẩm Bentonite biến tính cho những mục đích khác nhau Phươngpháp biến tính để chuyển Bentonite kiềm thổ về dạng Bentonite kiềm nhưsau: quặng Bentonite kiềm thổ được phân cấp, đập, nghiền đến cỡ hạtthích hợp Sau đó quặng được trộn đều với tác nhân biến tính (là cácmuối của Natri như Na2CO3, NaCl, ) theo một tỷ lệt hích hợp và nunghỗn hợp trong lò quay với nhiệt độ trong khoảng 300  5000C,sản phẩmbiến tính sau đấy được đóng bao và đƣa đi sử dụng Một điều đáng lưu ý

ở đây là quặng Bentonite kiềm thổ trên thế giới thường có hàm lượngMMT cao nên quặng được đưa vào biến tính ngay mà không qua giaiđoạn làm giàu, còn đối với quặng Bentonite kiềm thổ Tam Bố, do hàmlượng MMT không cao (khoảng 30 -40%) nên để sử dụng cho một số

mục đích thì trước khi biến tính nên làm giàu quặng để nâng hàm lượngMMT.

1.2.5. Ứng dụng của Bentonite

 Làm chất xúc tác

Bentonite có tính chất cơ bản là độ axit cao nên có thể dùng làm xúc táctrong các phản ứng hữu cơ đó Bề mặt của Bentonite mang điện tích âm do sự thay thếđồng hình của ion Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg2+ thay thế ion Al3+ ở bátdiện Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm củachúng không được bù trừ bởi các ion dương Do vậy tâm axit Liwis được tạo thành từion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặtBentonite Nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt Bentonite sẽ làm tăng độ axitLiwis của chúng

Giữa cột chống và các lớp Aluminosilicate của Bentonite có những liên kếtcộng hóa trị thực sự Sự tương tác giữa cột chống và lớp Bentonite dẫn đến hình thànhliên kết cộng hóa trị: cột chống-Bentonite, giải phóng nước và proton làm tăng độ axit

và bền hóa cấu trúc của Bentonite chống

Bến tính Bentonite bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị, cácchất hữu cơ tạo ra vật liệu xúc tác có độ axit và độ xốp cao hơn xúc tác cho một sốphản ứng hữu cơ Ví dụ: Sử dụng các xúc tác axit rắn trong phản ứng hữu cơ ở phalỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng Sau khi kết thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗnhợp phản ứng có thể tách xúc tác rắn

Ngoài ra, do Bentonite có khả năng hấp thụ cao nên có thể hấp thụ các chấtxúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp và được sử dụng làm chất xúc tác cho nhiềuphản ứng [4]

 Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ, sét chống và composite

Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành côngnghiệp đã sử dụng đến vật liệu Bentonite Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn vớicác chất khác Thí dụ, Polymer để làm composite gọi là Composite Nano Bentonite.Polymer có trộn thêm hạt Nano Bentonite khi kéo thành màng rất kín so với Polymerkhông trộn vì khi kéo, cán, các tấm nano Bentonite này nằm song song với bề mặt ngăncản rất tốt nhiều loại phân tử đi qua Các hạt nano Bentonite này trộn với Polymer

không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm đểdẫn thuốc, dẫn máu dễ dàng trong y tế Từ những thí dụ trên cho thấy có thể láy hạtnano Bentonite để làm chất độn, làm Nano Composite.

 Dùng làm chất độn màu trong công nghiệp sản xuất vật liệu tổng hợp

Trong công nghiệp sản xuất xà phòng, sản xuất vải sợi một lượng Bentonite

đã được sử dụng Đặc biệt trong vài thập kỷ gần đây việc sử dụng Bentonite vào trongngành công nghiệp giấy đã làm thay đổi đáng kể chất lượng giấy Trước kia giấythường xấp xỉ 50% Cellulose, hàm lượng cao lanh (chất độn) nguyên chất có trong giấykhông thể vượt quá 45% Nếu trộn thêm 10% Bentonite kiềm vào thì hàm lượng caolanh tăng lên 60%, nếu dùng 100% Bentonite thì lượng cao lanh lên tới 84% Giảmlượng xenlulose cần có trong giấy đi 3 lần

 Dùng trong công nghiệp rượu bia

Trong công nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang sửdụng Bentonite hoạt hóa làm chất hấp thụ đã giảm 30% đến 40% chi phí Bentonitekhông chỉ hấp thụ các chất hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốntrong quá trình lên men mà còn hấp thụ cả ion sắt, đồng và các tác nhân gây ra bệnhcủa rượu lại không làm mất hương vị của rượu bia

 Dùng trong công nghiệp tinh chế nước

Sử dụng Bentonite làm sạch nguồn nước mặt như: nước sông ngòi, kênhmương và các vùng giếng khoan Do Bentonite làm kết tủa các vẩn đục thay cho việcdùng phen đắt tiền hơn nhiều Không những thế mà Bentonite còn có khả năng hấp thụcác ion gây độc và một lượng lớn vi khuẩn, chất hữu cơ có trong nước, khử tính cứngcủa nước với giá thành tương đối rẻ Khả năng lắng cặn lơ lửng trong nước, trao đổiion và hấp phụ chất hữu cơ trong đó các vi khuẩn gây bệnh tạo ra giá trị đặc biệt củaBentonite trong công nghiệp xử lý nước

 Dùng trong một số lĩnh vực khác

Trong các công trình thủy lợi như: đê điều, mương máng và những công sựphòng thủ bằng đất sử dụng Bentonite nhờ đặc tính trương nở mạnh và đặc tính dẻo

Đặc biệt Bentonite còn được dùng làm phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn

và giúp điều tiết axit

Hiện nay các nghiên cứu về khả năng ứng Bentonite-Na dạng nén làm vậtliệu lấp các kho chứa chất thải phóng xạ nhờ vào độ dẫn thủy lực của sét đã được nénrất thấp giữ cho chỉ từ các chất phóng xạ không nhiễm vào nước ngầm và khả năngtrao đổi cation hấp phụ tất cả các nuclit thoát ra từ chất thải phóng xạ.

 Cấu tạo

Alginate là một tên gọi giành chung cho các muối của Acid Alginic Trongthuật ngữ phân tử, Alginate là một họ của Copolymer nhị phân tử không phân nhánhgồm các gốc β-D-mannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết1-4 glucozid Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các Monomer trong chuỗimạch từ đó sẽ tạo nên các đoạn homoPolymer (MM hoặc GG) lẫn các heteroPolymer(MG hoặc GM) [8-52] Acid Alginic được Standford phát hiện ra vào năm 1881 Chiếtsuất từ tảo nâu dưới dạng Natri Alginate có M ~ 20.000 – 60.000 Các Acid Alginic íttan trong nước (giống các Polysaccarit) nên chúng thường được chế biến dưới dạngAlginate của Natri, Kali, amoni, Magie, Canxi, Propylen Glycol

a)

O

COO

-OH OH OH OH

 D-mannuronic (M)

O COO- OH

OH OH

O H a-L-guluronic (G)

O O

O O

O H COO-

O H

O O H

O

COOOH

-O OH O

-OH

OH O

O OH COO-OH

 Độ nhớt

Khi hòa tan các Alginate vào nước chúng sẽ ngậm nước và tạo dung dịchnhớt Độ nhớt phụ thuộc vào chiều dài của phân tử Alginate Bột Alginate rất dễ bịgiảm nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp Ngoài ra, cách sắp xếp của phân tửAlginate cũng ảnh đến độ nhớt của nó Trong một số trường hợp độ nhớt có thể giatăng ở nồng độ thấp với sự hiện diện của một số chất vô cơ như: CaSO4, CaCO3,…IonCanxi liên kết với Alginate tạo liên kết chéo trong phân tử gia tăng, sẽ làm gia tăngtrọng lượng phân tử và độ nhớt Độ nhớt của Alginate biến thiên trong dải rộng từ 10mPa.s đến 1000 mPa.s (dung dịch 1%) Với một chút muối Canxi sẽ làm tăng độ nhớtcho sản phẩm hay độ cứng của gel Canxi Alginate tạo ra Các Alginate có tỷ lệ G caohoặc M/G thấp sẽ cho gel cao hơn [13]

 Sự hóa dẻo

Sự hóa dẻo của màng có thể nâng cao bằng cách thêm vào các tác nhân làmdẻo cách này gọi là sự hóa dẻo Kết quả làm cho độ bền của màng càng tăng lên, chínhđiều này giúp màng ít bị rách, đó là kết quả của quá trình co lại của các phân tử bên

trong giữa các chuỗi Polymer trong cấu trúc màng Chất dẻo phải phù hợp với Polymer

sử dụng làm màng và cũng phải cùng hoạt tính tan với Polymer Các yếu tố khác làchất dẻo phải được giữ lại trong hỗn hợp lâu, ổn định cao, khong bay hơi và màu, vàquan trọng là mùi của các chất này không làm ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất củamàng

 Tính chất của màng Alginate

Các Alginate cũng có khả năng tạo màng rất Các màng rất đàn hồi, bền,chịu dầu và không dính bệt Màng thuộc nhóm polysacharide có khả năng ngăn cảnoxy và lipid thẩm qua vì thế sẽ ức chết được hiện tượng oxy hóa chất béo và các thànhphần khác trong màng sẽ bóc hơi trước ẩm trong thực ẩm, từ đó màng bao sẽ hơi khô

và co lại làm cho lượng ẩm bên trong không thoát ra được

Màng Alginate được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ thực phẩmnhằm tăng thời gian sử dụng và bảo quản chất lượng sản phẩm được lâu hơn Màngbao ăn được có thể được sử dụng để làm giảm tác hại của do quá trình chế biến gây ra.Màng bao vừa có tác dụng kéo dài thời gian sử dụng vừa ngăn cản sự mất ẩm và sự dichuyển chất tan, phản ứng oxy hóa

 Tính chất tạo gel

Dung dịch Natri Alginate có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ionhóa trị II, III Khi nhỏ một giọt dung dịch Natri Alginate vào dung dịch CaCl2 sự tạogel xảy ra gần như tức thời trên bề mặt của giọt và cho ta hạt gel có dạng hình cầu Cácgel được tạo thành ở bất kỳ nhiệt độ nào (dưới 100oC) và không bị chảy ra khi đunnóng Khả năng tạo gel này được giải thích bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng” củaphân tử Canxi Alginate Khi có mặt các ion hóa trị II, III ở nồng độ thích hợp thì sự tạogel xảy ra, các phân tử sắp xếp song song, các phần gấp nếp của đoạn GGGG tạo thànhkhoảng không gian như chỗ đặt trứng Các ion Canxi chui vào khoảng trống này, liênkết với các nhóm carboxyl và các nguyên tử oxy vòng trong của mỗi đoạn song song.Lúc này, các phân đoạn GGGG nối với nhau qua các ion Ca2+ làm cho các phân tử gầnnhau hơn và ép nước thoát ra ngoài, khi đó gel Alginate được hình thành [23-20]

O O

O

OH O

O

O O

OH OH

O

OH

C a2 +

Hình 1.9: Mô hình liên kết của block G với Ca2+

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

M thì khả năng tạo gel của Alginate sẽ tốt hơn Khả năng tạo gel của các muối Alginatecòn phụ thuộc vào kích thước của ion kim loại Ái lực của Alginate đối với các ion kimloại hóa trị II khác nhau giảm theo trình tự:

Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+

 Tính chất vật lý và hóa học của Alginate

Alginate ở dạng muỗi tan trong nước, độ nhớt của dung dịch thu được phụthuộc vào trọng lượng phân tử và lượng ion trong muối Khác với agar, dung dịchAlginate không đông lại ngay cả khi làm lạnh đông Việc lạnh đông và làm tan giádung dịch Natri Alginate khi có mặt ion Ca2+ có thể làm tăng độ nhớt của dung dịch

Khi thêm acid hay ion Ca2+ dung dịch Natri Alginate có thể tạo thành gel,màng hay sợi nhờ các tương tác tĩnh điện qua cầu Calcium khi ở nhiệt độ phòng pH 4đến 10 Phụ thuộc vào nồng độ Calcium, gel tạo ra có thể thuận nghịch (khi nồng độ

Ca2+ thấp) hay không thuận nghịch và ít đàn hồi (khi nồng độ Ca2+ cao) Tham gia taogel trong trường hợp này, các tương tác tĩnh điện (qua cầu Canxi) có vai trò quan trọng

Có lẽ vì thế các gel này không thuận nghịch với nhiệt và ít đàn hồi

Các màng Alginate rất đàn hồi, rất bền, chịu dầu và không dính bết Có thểtạo màng Alginate bằng các phương pháp sau:

 Cho bốc hơi một lớp dung dịch Alginate hòa tan trên một bề mặtphẳng.

 Dùng chất kết tủa thích hợp để xử lý màng từ Alginate hòa tan

 Tách Ammoniac ra khỏi màng của dung dịch kẽm Alginate, nhômAlginate, đồng Alginate hoặc bạc Alginate hòa tan trong ammoniac dư.Các Alginate tích điện âm nên có thể tạo keo tụ với các chất tích điệndương Alginate hấp thụ nước rất tốt, có thể hấp thụ hơn 200 lần khối lượng phân tửcủa mình

1.3.3 Ứng dụng của Alginate

 Trong công nghiệp thực phẩm

Một hợp chất của Acid Alginic có tên là Lamizell là một muối kép của Natri

và Canxi với một tỷ lệ nhất định Lamizell tạo ra được một độ nhớt đặc biết và có khảnăng kích thích ăn ngon miệng, do đó rất được quan tâm trong sản xuất thực phẩm.Alginate Natri cũng được dùng trong một số thực phẩm để hạn chế tăng trọng Ví dụ:1g Alginate Natri chỉ cung cấp 1.4 Kcal

Trong sản xuất kem, Acid Alginic và muỗi của nó có thể dùng làm chất ổnđịnh trong kem ly, làm cho kem mịn có mùi thơm, chịu nóng tốt, thời gian khuấy trộnlúc sản xuất ngắn Cho vào sữa bò với nồng độ keo Alginate Natri 0.1% (1.8% sẽchống được hiện tượng các chất không hòa tan kết tủa) Khi tinh chết rượu dùngAlginate Natri 1% để làm trong, nếu còn gặp khó khăn cho thêm than xương và Canxivào Alginate còn dùng trong sản xuất bơ, bánh kẹo, fomat, nước giải khát cũng nhưcác mặt hàng đông lạnh, Alginate Natri được dùng làm chất bảo vệ kem lạnh vớinhững tác dụng như sau: Ngăn ngừa tạo ra các tinh thể đá băng, Ức chế hoàn toàn sựtạo thành tinh thể của Lactose, Nhũ hóa các cầu béo, Làm bền bọt, Tạo độ nhớt chokem, Tạo gel có khả năng giữ nước cho kem, làm cho kem không bị tan chảy Vớinhững thực phẩm có độ acid cao khỏng thể dùng Alginate Natri được thì Propylen –Glycol Alginate là chất thay thế rất tốt vì nó bền được cả trong vùng pH = 0-3

 Ứng dụng trong công nghiệp dệt

Alginate có độ nhớt cao, tính mao dẫn kém, khi khô trong suốt, bóng và cótính đàn hồi tốt Vì thế người ta dùng Alginate hồ vải cho sợi bền và chịu được cọ sát,giảm bớt tỷ lệ sợi đứt và nâng cao hiệu suất dệt

Trong công nghiệp in hoa Alginate Natri là chất tạo cho thuốc nhuộm có độdính cao đáng kể, in hoa không nhòe và rõ ràng Ngoài ra còn dùng làm vải khôngthấm nước.

 Ứng dụng trong công nghiệp giấy

Alginate hồ lên giấy làm cho giấy bóng, dai, không gẫy, mức độ khô nhanh,viết trơn, giấy hồ Alginate Natri còn làm tăng tính chịu nóng, do đó còn làm nguyênliệu để chế giấy chống cháy Ngoài ra Alginate Natri còn làm chất kết dính cho mực in

 Ứng dụng cho tơ nhân tạo

Dung dịch Alginate Natri nếu phun qua những lỗ nhỏ vào muối kim loại hóatrị II hay acid thì hình thành sợi tơ Qua nghiên cứu người ta thấy rằng tơ nhân tạoAlginate tương đối bên

 Ứng dụng trong y học và dược học

Trong y học Alginate được dùng làm chất trị bệnh nhiễm phóng xạ vì khingười bệnh ăn Alginate Natri thì nó kết hợp với Stronti rồi thải ra ngoài Hiệu suấtchữa bệnh khá cao Alginate Natri làm tăng hiệu quả chữa bệnh của Penicillin vì khi cómặt Alginate Natri sẽ làm cho Pennicillin tồn tại lâu hơn trong máu Trong công nghệbào chế thuốc Alginate Natri được sử dụng làm chất ổn định, nhũ tương hóa hay chấttạo đặc cho dung dịch, làm vỏ bọc thuốc, làm chất phụ gia chế các loại thức ăn kiêng.Trong nha khoa dùng Acid Alginic thay thạch cao để làm khuôn răng, nó giữ đượchình răng chính xác

 Trong công nghệ mỹ phẩm

Cho Alginate vào hỗn hợp nước và mỡ, nó sẽ làm nước và mỡ trộn đều mộtcách ổn định Ví dụ như: kem đánh răng gồm Glycerin xà phòng, bột mùi,… được trộnthành dạng nhũ tương ổn định

Alginate là chất làm nền cho phấn, sáp, nước hoa, xà phòng, giữ mùi thơmcho nước hoa xà phòng (PGA) Làm vecni và xi, không cần đánh bóng vì cho AlginateNatri vào dung dịch amoniac, khi các amoniac bay hơi sẽ để lại trên nền một lớp màngbảo vệ có độ bóng cao

để sản xuất cao su dẻo dai, mặt nạ phòng độc, găng tay y học Alginate còn được sửdụng làm chát mang tốt trong kỹ thuật cố định tế bào, hiện nay Alginate còn được làmmôi trường cố định enzyme

Dùng làm chất khử tinh thể: Cho Alginate vào dung dịch tạo kết tủa nó sẽlàm chất kết tủa giảm kích thước, Alginate được dùng trong điện giải kim loại, sản xuấtthạch cao xi măng và nhiều loại sơn Khi trộn với Gelatin, Alginate làm giảm điểmnóng chảy của Gelatin nên nó được dùng làm phim ảnh, kết hợp với các ion kim loạicho sản phẩm có độ bền cao Kết hợp với cellulose tạo các chất cách điện, vớiPropylen-Glycol tạo các loại sơn, chất giữ mùi Ngoài ra còn được dùng làm chất thuộcda

1.4 Hydroxyapatite

1.4.1 Giới thiệu về Hydroxyapatite

Hydroxyapatite (HA) có công thức Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần khoángchủ yếu trong xương và răng của động vật có xương sống Trong thực tế, HAsinh học thường là HA thiếu canxi với tỉ lệ Ca/P nhỏ hơn 1,67 HA tồn tại ởtrạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng, nâu hoặc xanh lơ, nóng chảy ởnhiệt độ 1760oC và sôi ở nhiệt độ 2850oC Ở 25oC, khả năng hoà tan trong 100gnước của HA là 7g, trọng lượng phân tử là 1004,6 (g/mol) và khối lượng riêng

là 3,156 g/ml, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinhthể HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- Ô mạng này có dạng hình lụcphương (hình 1.10) thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417

nm, b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90o và γ = 120o [38] Đây là cấu trúcthường gặp của HA nhân tạo và HA tự nhiên trong xương và răng Phân tử HA

có cấu trúc mạch không phân nhánh, các liên kết Ca-O là liên kết cộng hoá trị, hainhóm -OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch

Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10-x(PO4)6(OH)2-4xOx + 2xH2O + xCaO

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân huỷ thành các chất khác trongnhóm Canxi Photphat như β-Ca3(PO4)2 hay Tetra Canxi Photphat Ca4P2O9

 Tính chất sinh học

HA tự nhiên và nhân tạo đều có cùng bản chất và thành phần hóa học nên

là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn, HA với kíchthước nano là dạng Canxi Photphat được cơ thể hấp thụ dễ nhất do tỷ lệ Ca/P trongphân tử HA đúng như tỷ lệ Ca/P trong xương và răng [5] Ở dạng màng và dạngxốp, HA có thành phần hóa học và các đặc tính giống xương tự nhiên với các lỗxốp liên thông với nhau giúp cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập vào

HA Do vậy, vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô,

có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinhxương nhanh mà không bị cơ thể đào thải [15] Ngoài ra, HA là hợp chất không

độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao [32] HA tươngđối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày.

1.4.3. Ứng dụng của Hydroxyapatite

 Ứng dụng của HA dạng bột

Do chứa hàm lượng canxi trong thành phần tương đối lớn nên ứng dụng chủyếu của HAp dạng bột mịn, kích thước nano để làm thuốc và thực phẩm chứcnăng bổ sung canxi [22] Ngoài ra, HAp có khả năng phát quang nhiệt nên bộtHAp cũng được ứng dụng trong đo lượng bức xạ gamma [6]

 Ứng dụng của HA dạng gốm xốp

Vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liênthông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tínhdung nạp tốt, không độc, không dị ứng Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngàynay HAp dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như:chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng [22], chế tạo mắtgiả, chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật củaxương [48]

Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HAp như: làm điện cực sinhhọc, làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [12], vận chuyển và phântán insulin trong ruột [49], xử lý hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước [41] vàđất [39]

 Ứng dụng của HA dạng màng

Màng HA được phủ lên các vật liệu bền cơ, nhẹ và không có phản ứng với

cơ thể như TKG316L, Ti6Al4V để thay thế cho các bộ phận xương của cơ thể đòi

hỏi độ bền cao như xương hông, xương đùi, xương đầu gối, răng Màng phủ HA

có tác dụng bảo vệ vật liệu bên trong không bị ăn mòn giúp tăng tuổi thọ vật liệughép [42]

 Ứng dụng HA dạng xi măng sinh học

Do thành phần hoá học của HA rất gần với xương và răng, HA cũng cókhả năng tương thích sinh học, hoạt tính sinh học nên bột HA còn được ứng dụnglàm xi măng sinh học cho các trường hợp vỡ, sụt lõm kín xoang trán, lõm sọ, chấnthương sọ não, gãy cổ xương đùi…[30] Ngoài ra, xi măng sinh học cũngđược ứng dụng trong điều trị xẹp đốt sống

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

2.1.1 Hóa chất

Bảng 2.1: Tên cái loại hóa chất sử dụng

 Pipet vạch 10 mL, 25 mL, Pipet nhựa 3mL

 Đũa thủy tinh

 Máy sấy đông khô

Khuấy trộn 12 giờ

Hình 2.12: Quy trình xử lý Bentonite thô thành MMT/Na+

 Thuyết minh quy trình thực hiện

Để có thể biến tính Bentonite ban đầu thành MMT/Na+ ta thực hiện bằngcách pha loãng 30g Bentonite trong 600 mL dung dịch Natri Clorua 0,1M Thực hiệnkhuấy trộn hỗn hợp trong 12 giờ trên bếp khuấy từ gia nhiệt nhằm mục đích giúpBentonite phân tán trong tốt dung dịch Natri Clorua để có thể trao đổi các ion Na+ , giúp

Na+ len lỏi vào các lớp của Bentonite tạo thành MMT/Na+ được một cách tốt nhất Cáchạt MMT/Na+ sau khi được khuấy trộn sẽ được để lắng 12 giờ, lúc này sự phân tách haipha rắn và lỏng được thấy rõ ràng nhất Sau khi lắng, ta loại bỏ phần nước ở mặt trêncòn lại phần huyền phù MMT/Na+ Huyền phù thu được sẽ được ly tâm bằng máy ly

tâm với tốc độ quay 6000 vòng/phút trong 15 phút, gạt lấy phần huyền phù lắng ở đáyống ly tâm đem đi rửa với nước cất, thực hiện ly tâm và rửa nước cất 3 lần mới lấyphần nước trắng đem chuẩn độ kiểm tra nồng độ Cl- Phần nước sau khi tách ra khỏihuyền phù bằng phương pháp ly tâm sẽ được kiểm tra bằng phương pháp Morh giúpxác định nồng độ Cl- có trong dung dịch Để giúp lượng nước còn chứa trong huyềnphù được loại bỏ hoàn toàn ta thực hiện sấy nóng ở nhiệt độ 110oC trong 24 giờ Sảnphẩm khô thu được sẽ được nghiền mịn bằng bát sứ thành dạng hạt.

2.2.2 Tổng hợp Hydrogel

Hình 2.13: Quy trình tổng hợp hệ Hydrogel

 Thuyết minh quy trình thực hiện

MMT/Na+ 2,5% : Pha loãng 0,25g MMT/Na+ đã xử lý ở quá trình trướctrong 10mL nước cất

Alginate 4% : Pha loãng 1,6g Alginate trong 25mL nước cất

CaCl2 : Pha loãng 0,23g CaCl2 trong 25mL nước cất

Lấy lượng vừa đủ (theo tỷ lệ 1:1) MMT/Na+ 2,5% và Alginate 4% đã phaban đầu cho vào Becher 100mL, khuấy trộn bằng mấy khuấy từ gia nhiệt trong vòng 2giờ nhằm mục đích giúp MMT/Na+ và Alginate phân tán tốt vào nhau trước khi sửdụng chất tạo gel hóa Để giúp quá trình phân tán Alginate vào các lớp của MMT/Na+được tốt hơn ta sử dụng bể siêu âm để siêu âm hỗn hợp trong vòng 4 giờ Sau đó để tạo

hệ gel bằng cách nhỏ từ tác nhân gel hóa là CaCl2 ( CaCl2 0,08 M) tạo hệ Hydrogel

2 giờ

4 giờ

2.2.3 Thực nghiệm khảo sát khả năng ổn định của hệ Hydrogel trong môi trường

in vitro

Sau khi tổng hợp hệ Hydrogel, ta thực hiện thực nghiệm khảo sát khả năng

ổn định của hệ Hydrogel trong in vitro bao gồm trong dung dịch PBS và trong nước cấtvới khoảng thời gian so sánh: ban đầu, sau 1 tuần và sau 2 tuần

PBS là tên viết tắt của Phosphate Buffer Solution là một dung dịch đệmđược sử dụng thông dụng trong các công trình nghiên cứu sinh học Nó là một dungdịch muối gốc nước có chứa Disodium Hydro Phosphate, Natri Clorua và một số chấtkhác như Kali Clorua, Kali Dihydrogen Phosphate Nhằm giúp duy trì độ pH khôngđổi Độ thẩm thấu và nồng độ ion của dung dich phù hợp với nồng độ của cơ thể người(đẳng trương)

Chuẩn bị 3 mẫu so sánh bao gồm: Aliginate 4%/CaCl2 0,08M và Na-MMT1.5%/Alginate 4%/CaCl2 0,08M và Na-MMT 2,5%/Alginate 4%/CaCl2 0,08M Sửdụng 1 viên PBS trong 200 mL, tỷ lệ thành phần các chất theo tỷ lệ 1:1 Thực nghiệmnhằm khảo sát độ ổn định các hệ Hydrogel trong các môi trường khác nhau để đảm bảo

hệ Hydrogel bền trước khi tiêm chích vào môi trường in vivo

2.2.4 Thực nghiệm khảo sát khả năng phân hủy của hệ Hydrogel trong môi trường in vivo

Thực nghiệm nhằm khảo sát bản chất phân hủy của hệ Hydrogel trong môitrường in vivo sau khi tiêm chích vào cơ thể chuột Quá trình thực nghiệm sẽ đượcquan sát sau khi tiêm vào cơ thể chuột lúc ban đầu 10 phút, sau 1 tuần, sau 3 tuần MẫuHydrogel thu được sau khi lấy ra từ cơ thể chuột sẽ được sấy đông khô và sẽ được cânbằng cân phân tích để xác định khối lượng còn lại của mẫu Hydrogel

Chuẩn bị 2 mẫu bao gồm: Alginate 4%/CaCl2 0,08M và Na-MMT2,5%/Alginate 4%/CaCl2 0,08M theo tỷ lệ 1:1 Sử dụng tiêm tiêm 23G 3mL để hútmẫu tiêm vào cơ thể chuột Chăm sóc quan sát mẫu tồn tại trong cơ thể chuột trong cáckhoảng thời gian đã đề cập

2.2.5 Thực nghiệm khảo sát khả năng tạo thành khoáng Hydroxyapatite (HA) trong môi trường invo

Để khảo sát xác định khả năng tạo thành khoáng HA trong cơ thể chuột, tachọn hai mẫu Alginate 4%/CaCl2 0,08 M và Na-MMT 2,5%/Alginate 4%/CaCl2 0,08Mtrong 3 tuần để kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X

2.2.6 Các phương pháp phân tích kiểm tra kết quả

 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thểcủa chất rắn do tính tuàn hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên các cực đại và cực tiểunhiễu xạ Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng đểphân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu,… Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gầngiống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khácnhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử

Nhiễu xạ bột (Power X-ray Diffraction) là phương pháp sử dụng với cácmẫu là đa tinh thể, phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định cấu trúc tinhthể, bằng cách sử dụng một chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu Người

ta sẽ quay mẫu và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên đường tròn đồng tâm, ghi lại cường

độ chùm tia phản xạ và ghi phổ nhiễu xạ bậc 1 (n=1)

Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào 2 lần góc nhiễu

xạ (2θ) Đối với các mẫu màng mỏng, cách thức thực hiện có một chút khác, người ta

chiếu tia X tới dưới góc rất hẹp (để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng, giữ

cố định mẫu và chỉ quay đầu thu) Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thànhphần pha, tỷ phần pha, cấu trúc tinh thể (các tham số mạng tinh thể) và rất dễ thực hiện

Xét một chùm tia X có bước sóng λ chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới θ Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ

của các tia X Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương pháp xạ (bằng góc tới)thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là: