Nghiên cứu tổng hợp và xác định các đặc trưng của hydroxyapatite – polymaltose

Các nhóm chức của polyme có khả năng tạo liên kết tốt với các tếbào sinh học, nâng cao tính tương thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụcủa cơ thể.. Vật liệu compozit sinh học t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-ĐẶNG THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HYDROXYAPATITE - POLYMALTOSE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-ĐẶNG THỊ NHUNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HYDROXYAPATITE - POLYMALTOSE

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Mã số: 60440113

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN THỊ NGỌC BÍCH

Hà Nội -2016

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ này được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm của Phòng Hóa

Vô cơ – Viện Hóa học- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn tới Cô PGS TS Phan Thị Ngọc Bích đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn và tạo các điều kiện thí nghiệm thuận lợi nhất giúp cho em hoàn thành luận văn này.

Em cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến các cô, các chú, các anh chị em đang công tác tại Phòng Hóa Vô cơ đã trao đổi kinh nghiệm và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện Luận văn này.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Hà Nội, tháng 6 năm 2016

Học viên

Đặng Thị Nhung

DTA (Differential Thermal Analysis)

FT-IR (Fourier Transform Infrared

SEM (Scanning Electron Microscopy)

TGA (Thermal Gravimetric Analysis)

TEM (Transmission Electron Microscopy)

XRD (X-Ray Diffraction)

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA 3

Hình 1.2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA 4

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của polymaltose 10

Hình 1.4 Sự tạo mầm của HA trên chất nền polyme .11

Hình 1.5 Compozit HA/collagen 14

Hình 1.6 Sự chuyển pha từ brushite sang HA theo thời gian 16

Hình 1.7 Giản đồ DT-TGA của compozit HA/chitosan với hàm lượng khác nhau 17 Hình 1.8 Hình thái học của compozit HA 18

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp compozit HA/polymaltose theo phương pháp kết tủa 24

Hình 3.1 Giản đồ XRD của các mẫu HAP tổng hợp theo phương pháp khác nhau 29 Hình 3.2 Phổ FTIR của mẫu HA, polymaltose P3 và mẫu HAPc 30

Hình 3.3 Ảnh TEM của các mẫu HAP tổng hợp theo các phương pháp khác nhau 31 Hình 3.4 Giản đồ XRD các mẫu HAP tổng hợp với DE khác nhau 32

Hình 3.5 Ảnh SEM của các mẫu HAP với polymaltose có DE khác nhau 33

Hình 3.6 Ảnh TEM của các mẫu HAP với giá trị DE khác nhau 34

Hình 3.7 Giản đồ TG-DTA của mẫu HA, polymaltose P3 và các mẫu HAP 36

Hình 3.8 Giản đồ XRD các mẫu HAP với hàm lượng P3 khác nhau 37

Hình 3.9 Ảnh SEM của các mẫu HAP với hàm lượng polymaltose khác nhau 38

Hình 3.10 Ảnh SEM của mẫu HAP với tốc độ cấp axit 6 ml/phút 40

Hình 3.11 Giản đồ XRD của các mẫu HAP tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau 41

Hình 3.12 Ảnh TEM của các mẫu HAP tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau 42

Hình 3.13 Giản đồ XRD của các mẫu với thời gian già hóa khác nhau 44

Hình 3.14 Ảnh TEM của sản phẩm HAP với các chế độ làm khô khác nhau 45

Bảng 2.1: Hàm lượng polymaltose trong các mẫu compozit 25

Bảng 3.1 Hàm lượng polymaltose thực tế trong các mẫu HAP 36

Bảng 3.2 Kích thước và độ tinh thể của mẫu HAP theo nhiệt độ 41

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 HYDROXYAPATITE 3

1.1.1 Tính chất vật lý 3

1.1.2 Tính chất hóa học 5

1.1.3 Tính chất sinh học] 5

1.1.4 Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA 5

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp HA 7

1.2 POLYMALTOSE 9

1.2.1 Cấu trúc 9

1.2.2 Tính chất và ứng dụng của polymaltose [51, 52, 54] 10

1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT CỦA HA VÀ POLYME 11

1.3.1 Sự tạo thành vật liệu compozit HA/polyme 11

1.3.2 Các phương pháp tổng hợp compozit HA/polyme 13

1.3.2.1 Phương pháp trộn HA và polyme 13

1.3.2.2 Phương pháp kết tủa trực tiếp 14

1.3.3 Đặc trưng của vật liệu compozit HA/polyme 15

1.3.3.1 Thành phần 15

1.3.3.2 Hình thái học 18

1.3.3.3 Tương tác giữa HA và polyme 19

1.3.4 Ứng dụng của compozit HA/polyme 20

1.3.4.1 Sửa chữa khuyết tật xương 20

1.3.4.2 Sửa chữa khiếm khuyết răng 20

1.3.4.3 Truyền thuốc và gen 21

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ HA VÀ COMPOZIT HAP Ở NƯỚC TA 21

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 23

CÁC THÔNG SỐ PHẢN ỨNG ĐẾN HA/POLYMALTOSE 23

2.2.1 Lựa chọn phương pháp tổng hợp HA/polymaltose 23

2.2.2 Lựa chọn polymaltose có chỉ số DE thích hợp 24

2.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến sản phẩm HAP 25

2.2.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose 25

2.2.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H 3 PO 4 25

2.2.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 26

2.2.3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 26

2.2.3.5 Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm 26

2.3 CAC PHƯƠNG PHAP XAC DịNH DặC TRƯNG 26

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 26

2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) 27

2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 27

2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 28

2.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA) 28

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 LựA CHọN PHƯƠNG PHÁP TổNG HợP HA/POLYMALTOSE 29

3.2 LựA CHọN POLYMALTOSE VớI DE THÍCH HợP 32

3.3 KHảO SÁT Sự ảNH HƯởNG CủA CÁC THÔNG Số PHảN ứNG ĐếN HAP 35

3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose 35

3.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 39

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 41

3.3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 43

3.3.5 Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm 44

KẾT LUẬN CHUNG 46

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

LỜI MỞ ĐẦU

Hydroxyapatite hay Canxi hydroxyapatite (HA), có công thức

Ca10(PO4)6(OH)2, HA là thành phần chính của xương và răng trong cơ thể người

và động vật HA có các đặc tính quý giá như có hoạt tính và độ tương thích sinhhọc cao với các tế bào và các mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp vớixương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh, không bị cơ thể đào thải, tồn tại ở cáctrạng thái tập hợp khác nhau HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơthể con người với tỉ lệ Ca/P đúng như tỉ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng

Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung

và dược phẩm nói riêng đã được quan tâm từ lâu Tuy nhiên, việc ứng dụng các vậtliệu vô cơ trong y sinh học và dược học còn nhiều hạn chế Từ năm 2005, nhómnghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam) đãthực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA dạng bột và dạng xốp hướng đếnứng dụng trong dược học và y sinh học

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 cácpolyme sinh học Các nhóm chức của polyme có khả năng tạo liên kết tốt với các tếbào sinh học, nâng cao tính tương thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụcủa cơ thể Các polyme đang được tập trung nghiên cứu theo hướng này là cácpolyme tự nhiên như collagen, chitosan, alginat, polymaltose hay các polyme tổnghợp như poly (lactide-co-galactide) làm các chất truyền dẫn, nhả chậm thuốc và chếtạo các chi tiết xương nhân tạo để cấy ghép xương Vật liệu compozit sinh học trên

cơ sở HA và polyme tự nhiên được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫuthuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nhả thuốc…

Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và góp phần tạo ra mộtloại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong y sinh học và dược học,

chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và xác định các đặc trưng của hydroxyapatite - polymaltose”.

Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau:

 Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tổng hợp vật liệu

HA/polymaltose

 Lựa chọn polymaltose với chỉ số DE thích hợp

 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số phản ứng để lựa chọn lựachọn được chế độ tổng hợp thích hợp, tạo ra sản phẩm HAP có kíchthước hạt và độ phân tán tốt nhất Các thông số đó bao gồm:

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 HYDROXYAPATITE

1.1.1 Tính chất vật lý

Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp màHydroxyapatite (HA) có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ HA nóngchảy ở 1760oC, sôi ở nhiệt độ 2850oC, độ tan trong nước 0,7 g/l, khối lượng phân

tử 1004,60 g/mol, khối lượng riêng 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5[28, 57] HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800-1200oC tùy thuộcvào phương pháp điều chế và dạng tồn tại

Các tinh thể HA thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hìnhcầu… [28] Có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng phươngpháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (Hình 1.1)

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

Cấu trúc mạng của HA gồm: Ca2+, PO4

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 ômạng 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 bêntrong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhómthuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ratrong hình là thuộc về ô đơn vị Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể khôngđúng với công thức phân tử của HA Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ôđơn vị trong hệ đối xứng ba chiều Với cách giải thích như trên, trong một phân tử HAbao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, từ đó ta khẳng định HA cócông thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2 [10]

Nestor J Zaluzec [48] đã nghiên cứu và chỉ ra công thức cấu tạo của phân tử

HA được thể hiện trên hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạchthẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hoá trị Hai nhóm OH được gắn với hainguyên tử P ở hai đầu mạch:

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của phân tử HA

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN 1.1.2 Tính chất hóa học

 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

800oC đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng:

và có tính kháng khuẩn

1.1.4 Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA

Các muối canxi photphat (CaP) là thành phần khoáng trong xương và răngcủa động vật có xương sống [7, 8, 20, 42, 45, 57] Xương và các mô cứng khác cóthể được xem là vật liệu compozit tự nhiên gồm chất khoáng sinh học gắn trongchất nền polyme, các chất hữu cơ khác và nước [42, 57] Pha khoáng sinh học, làmột hoặc nhiều loại muối CaP, chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếmkhoảng 5-8% và phần còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen [20, 42, 57]

Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng đọng và tăng trưởng của các chất khoáng[42, 57] Trong số các muối CaP, HA là thành phần chủ yếu của pha khoáng sinh học[42, 45] Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã được các nhà khoahọc vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học tuyệt vời [5, 17, 22, 30], gần gũi vớicác polyme sinh học [30] và có khả năng dẫn xương cao [8, 20, 23,

36] HA đã được chứng minh là có thể thúc đẩy sự phát triển của xương mới thôngqua cơ chế dẫn xương mà không gây ra bất kỳ độc tính cục bộ hoặc toàn thân, viêmhoặc dị ứng [18, 23, 28, 36, 63] Khi cấy ghép vật liệu gốm chứa HA vào cơ thể,một lớp mô mới được hình thành trên bề mặt của nó và góp phần vào sự liên kếtcủa các mô cấy vào xương, dẫn đến định hình vượt trội mô cấy đến các mô xungquanh [53] Hơn nữa, một số nghiên cứu cho thấy HA hoặc các muối CaP có thểđược khai thác như một hợp chất mô hình để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinhhọc trong cơ thể con người [63, 65] Các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng,các hạt HA ức chế sự phát triển của nhiều loại tế bào ung thư [37, 38, 39] Hiện nay,

HA là vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng y sinh học khác nhau, ví dụ: thaythế cho xương và các khuyết tật nha chu, ổ răng, cấy ghép tai giữa, hệ thống kỹthuật mô, tác nhân truyền dẫn thuốc, điều trị bệnh loãng xương, vật liệu nha khoa

và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xương bằng kim loại [18 - 22, 25,

29, 32, 36, 60, 67] Ngoài lĩnh vực dược học và y sinh học, HA và các muối CaPngày càng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác Ví dụ: chất xúc táccho các phản ứng cộng hợp kiểu Michael và oxy hóa metan, nguyên liệu phát laser,vật liệu huỳnh quang [38] HA tổng hợp cũng có thể được sử dụng trong phươngpháp sắc ký cột để cất phân đoạn đơn giản và nhanh chóng các protein và axitnucleic Hơn nữa, HA còn là vật liệu có giá trị cho quá trình xử lý nước và hấp phụkim loại nặng trong đất [31]

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu HA kích thước nano có tính tươngthích, tái hấp thu sinh học và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu cókích thước micro [60, 65, 67] Bởi vì ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA cóhoạt tính bề mặt cao, do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự nhưapatit sinh học Ngoài ra, phản ứng khử khoáng ở men răng và xương có thể bị ức

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

chế khi kích thước hạt đạt đến mức nano, vì thế ngăn ngừa bệnh sâu răng và loãngxương [43, 66] Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo rằng nano HA có khả nănggiảm đáng kể tế bào chết do tự hủy hoại nên cải thiện sự tăng sinh tế bào và hoạttính tế bào liên quan đến sự phát triển xương [66] Vì vậy, trong những năm gầnđây, gốm sinh học và compozit sinh học chứa HA kích thước nano được xem là cácvật liệu hứa hẹn nhất cho một loạt các ứng dụng y sinh học [55, 64]

Để phản ánh sự quan tâm ngày càng tăng trong việc nghiên cứu chế tạo vậtliệu HA, M Sadat-Shojai đã tìm kiếm các nghiên cứu trong cơ sở dữ liệu Scopus,kết quả cho thấy số lượng các ấn phẩm về các dạng vật liệu chứa HA tăng lên gấp

ba lần từ năm 1999 đến 2011 [56] Tuy vậy, việc điều chế HA với các đặc trưng xácđịnh vẫn là một thách thức thú vị Cụ thể là tìm ra một phương pháp mới có thểkiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, độ tinh thể hóa, sự phân

bố kích thước, trạng thái kết tập là động lực chính cho các nhà nghiên cứu vật liệuchứa HA hiện nay trên thế giới [53, 55]

1.1.5 Các phương pháp tổng hợp HA

Để tạo ra HA có những tính chất ưu việt đáp ứng yêu cầu từng mục đích sửdụng cụ thể, rất nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển như kết tủa hóahọc, điện hóa, thủy nhiệt, phản ứng pha rắn, đôi khi có sự hỗ trợ của các thiết bị siêu

âm, vi sóng [4 – 6, 11 - 13, 21, 37 - 40, 50] Có thể phân thành 2 loại là phươngpháp ướt và phương pháp khô… Trong đó, phương pháp khô: phương pháp phảnứng pha rắn, phương pháp hóa cơ, phương pháp vật lí Còn phương pháp ướt làphương pháp tạo ra pha rắn HA từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khácnhau Phương pháp ướt bao gồm: phương pháp kết tủa, sol-gel hay phương phápkết tinh từ dung dịch bão hòa, phương pháp phun sấy, phương pháp sử dụng visóng,…thường được dùng để tổng hợp HA dạng bột với kích thước khác nhau Ưuđiểm của phương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HA theomong muốn

Trong luận văn này, chúng tôi chỉ quan tâm đến phương pháp kết tủa trongphương pháp ướt

Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca và PO4 có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, được phân ra thành hai nhóm chính:

- Phương pháp kết tủa tử các muối chứa ion Ca 2+ và PO 4 3- dễ tan trong nước: Các

muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4,…

10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH→Ca10(PO4)6(OH)2↓+20NH4NO3+6H2O(1.5) Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ mol Ca/P = 1,67,pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M và 0,1M Sau đó, nhỏ từ từ (tốc độ2ml/phút) dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên máy khuấy từ (tốc

độ 300-400 vòng/phút) Bổ sung dung dịch NH4OH để đảm bảo phản ứng diễn ratrong môi trường pH = 10 - 12

Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH4)2HPO4, tiếp tục khuấy hỗn hợp trongkhoảng 2 giờ tại nhiệt độ đã định Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và làm sạchbằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết bị lọc hút chânkhông Sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 75-800C

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

Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trường kiềm Phương trình phản ứng đặc trưng:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2↓ + 18H2O

Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng H3PO4 làmột axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 nấc:

lượng của vật liệu HA

Các yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng…

thường ảnh hưởng đến chất lượng và hình dạng của tinh thể HA Để nhận được sản

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

phẩm HA bột có kích thước mong muốn thì ngoài các yếu tố trên, cần quan tâm đến

sự kết tinh của HA trong suốt quá trình tổng hợp

1.2 POLYMALTOSE

1.2.1 Cấu trúc

Polymaltose là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của tinh bột Dựa vàomức độ thủy phân tinh bột (loại enzyme và điều kiện thủy phân), sẽ có các sảnphẩm khác nhau, được đặc trưng bằng giá trị đường khử dextrose equivalent (DE)

DE là đại lượng cho biết lượng đường khử có trong sản phẩm, so với dextrose (hayglucose) và tính theo phần trăm trên khối lượng chất thô Gía trị DE cho biết độchuyển hóa từ tinh bột đến dextrose Tinh bột tự nhiên, ví dụ tinh bột sắn có DE gầnbằng không, glucose có DE là 100 [60, 61]

Maltodextrin, dextrin, polymaltose là những tên gọi quen thuộc, phổ biếncủa các sản phẩm thủy phân không hoàn toàn tinh bột Tuy nhiên, giữa chúng không

có sự phân biệt, không có ranh giới rõ ràng về giá trị DE

Maltodextrin thường được nghĩa rõ ràng hơn, để chỉ các sản phẩm có DE 20hoặc thấp hơn, thường trong khoảng 3 - 20 [60, 61]

Dextrin để chỉ chung chung các sản phẩm thủy phân tinh bột có chiều dàimạch trung bình

Polymaltose hay được chú thích như là một tên khác của dextrin, một sốcông bố lại cho rằng thuật ngữ polymaltose tương đương với maltodextrin

Bên cạnh đó, trong lĩnh vực vật liệu y sinh học, thuật ngữ polymaltose được

sử dụng khá phổ biến, đặc biệt là với các chất bổ sung sắt Chính vì vậy, trong đề tàinghiên cứu sử dụng sản phẩm thủy phân tinh bột có DE trong khoảng 12 - 30 để tạo

ra vật liệu ứng dụng trong y sinh học nên chúng tôi đã lựa chọn tên gọi phổ biến làpolymaltose

Polymaltose là sản phẩm dễ tan trong nước, cấu trúc gồm các phân tử glucose liên kết với nhau, có công thức cấu tạo (C6H10O5)n với phân tử lượng daođộng tương đối lớn khoảng 10.000 - 100.000 Dalton, các phân tử glucose liên kếtvới nhau chủ yếu bằng liên kết α - 1, 4 và α - 1, 6 glicozit

D-Hình 1.3 Công thức cấu tạo của polymaltose

- Polymaltose có thể hấp thu từ từ trong máu, cung cấp năng lượng cho cơ

thể một cách đều đều, giữ ổn định trong máu trong thời gian dài

- Được dùng để căn chỉnh kích thước màng, ổn định các tính chất cảu các sản phẩm thực phẩm và nguyên liệu

- Khi bổ sung vào thực phẩm, đồ uống polymaltose là tác nhân kìm hãmthành phần máu, vì nó thay thế một phần glucose nên hàm lượng glucose thấp hơn.Hơn nữa sẽ ngăn cản sự kết tinh đường saccharose và bảo vệ cấu trúc của sản phẩmtrong thời gian bảo quản

- Polymaltose có độ ngọt thấp, chỉ bằng 30% so với đường saccharose dungdịch 10% ở nhiệt độ 250C nên có thể thay thế đường saccharose trong các thựcphẩm để giảm độ ngọt sản phẩm mà không ảnh hưởng đến hương vị của sản phẩm

Polymaltose tạo cảm giác ngon miệng và tiêu hóa dễ dàng được sử dụngnhiều trong thức ăn trẻ em, người già, bệnh nhân, đặc biệt dành cho người bệnhtiểu đường và người già

Đặng Thị Nhung 10 Cao học Hóa - K24

1.3 VẬT LIỆU COMPOZIT CỦA HA VÀ POLYME

1.3.1 Sự tạo thành vật liệu compozit HA/polyme

Trong sự hình thành vật liệu compozit HA/polyme, polyme đóng vai trò làchất nền cung cấp các vị trí tạo mầm và điều chỉnh sự phát triển và hình thái học củatinh thể HA Các nhóm cacboxyl trên phân tử polyme có vị trí quan trọng trong sựtạo mầm của tinh thể HA [2, 11, 23] Z X Liu và cộng sự [40] đã gắn các nhómcacboxyl, amin và methyl trên đế Au và đánh giá sự hình thành và tăng trưởng củamầm tinh thể HA trong dung dịch giả dịch thể người (SBF) Ở bề mặt chứa nhómcacboxyl, lượng tinh thể HA hình thành dày gấp ba lần so với bề mặt amin, còn trên

bề mặt chứa nhóm methyl gần như không có tinh thể HA nào được tìm thấy Bằngphương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), Nonoyama và cộng sự đã quan sát giaiđoạn đầu tiên của quá trình tạo mầm HA và thấy rằng, ban đầu các nhóm cacboxyl

có sự tương tác với ion canxi và sau đó ion photphat sẽ gắn lên ion canxi [47]

Hình 1.4 Sự tạo mầm của HA trên chất nền polyme.

(a) Các nhóm chức trên phân tử polyme là các vị trí tạo mầm cho tinh thể HA,

(b) Sự tạo mầm và phát triển tinh thể HA trên các polyme được gắn đế trên đế Au

Đặng Thị Nhung 11 Cao học Hóa - K24

Bên cạnh các nhóm cacboxyl, nhóm cacbonyl trên collagen cũng có ưuthế cao cho sự tạo mầm tinh thể [67] Đối với chất nền tơ sợi Fibroin, có những vịtrí tạo mầm khác như nhóm amin và hydroxyl [38] Các nhóm amin trên chitosanđóng góp cặp electron tự do tương tác với các ion canxi và tạo thành phức chitosan

- ion canxi trước khi tạo mầm [39]

L Wang và cộng sự [33] đã sử dụng phương pháp mô phỏng động lực họcphân tử (Molecular Dynamics – MD), cho thấy tương tác giữa các phân tử chất nềnpolyme và HA chủ yếu là lực VanđecVan Thông thường, các nhóm mang điện tích

âm trên phân tử polyme được xem là có liên kết mạnh với các ion canxi trong tinhthể HA, trong khi các nhóm tích điện dương có liên kết với các ion photphat Vìvậy, các polyme tự nhiên phân cực như chitosan [27], alginat [1], tinh bột [9], …sẽ

có khả năng kết dính và tương tác tốt với HA Tương tác hóa học giữa HA vàpolyme như liên kết hydro, lực Van de Van, hoặc phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl,

… cho phép phân tán đồng đều HA trong pha hữu cơ

Các compozit HA/chitosan đã được nghiên cứu tổng hợp bằng nhiềuphương pháp khác nhau Do chitosan tan tốt trong dung dịch nước các axit hữu cơnhư axit axetic, axit lactic, axit malic và axit xitric, nên ảnh hưởng của dung dịchaxit hữu cơ đối với vi cấu trúc của sản phẩm đã được khảo sát [27] HA ở dạng tinhthể hình thành khi sử dụng axit axetic và axit lactic, trong khi đó HA tồn tại ở dạng

vô định hình khi dùng các axit hữu cơ có nhiều hơn hai nhóm cacboxyl

Trong số các polyme tự nhiên, tinh bột và các sản phẩm biến tính từ tinh bột

là nguồn quan trọng và rất phổ biến Tuy nhiên, cho đến nay có rất ít tài liệu về việcchế tạo vật liệu HA với các vật liệu này Sadjadi, Meskinfam và các cộng sự đã tổnghợp bằng quá trình mô phỏng sinh học in situ trong sự có mặt của tinh bột và hỗnhợp genlatin/ tinh bột [49] Kết quả cho thấy hình thái hạt HA bị ảnh hưởng bởi cácpolyme này, HA tạo thành có dạng hình que giống như HA vô cơ trong xương tựnhiên Shakir và các cộng sự đã thông báo rằng họ đã tổn hợp thành công hệHA/chitosan/dextrin bằng phản ứng đồng kết tủa ứng dụng trong kỹ thuật môxương

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN 1.3.2 Các phương pháp tổng hợp compozit HA/polyme

Có nhiều phương pháp để chế tạo các vật liệu này, như phương pháp trộn

HA và polyme, phương pháp cơ nhiệt, phương pháp điện hóa (mạ điện, điện xoay tròn - electrospinning) trong đó các phương pháp hóa học tỏ ra có nhiều ưu điểm về công nghệ và tính chất đặc trưng của vật liệu

1.3.2.1 Phương pháp trộn HA và polyme

Phương pháp phổ biến nhất để chế tạo compozit HA/polyme là trộn HA ởdạng bột hoặc ở dạng huyền phù với các polyme Phương pháp này có thể tạo ra vậtliệu compozit dạng bột, màng, khung xốp [28] Trộn HA với polyme và thay đổi tỉ

lệ khối lượng các thành phần sẽ tạo ra các compozit có tính chất khác nhau HA làsản phẩm thương mại, hoặc được điều chế bằng các phương pháp hóa lí, hoặcđược chiết tách từ pha khoáng tự nhiên của xương động vật, vỏ chuối, san hô…Tinh thể HA có nhiều hình dạng khác nhau, từ bất thường đến hình cầu, hình que,hình kim, hình phiến và thường kết tập thành từng khối do năng lượng bề mặttương đối lớn của các tinh thể nano Hình dạng bất thường của HA tạo điều kiệnthuận lợi cho polyme thâm nhập vào bề mặt hạt và hình thành một dạng liên kết nào

đó với tinh thể HA, trong khi bề mặt trơn mịn của các hạt HA hình cầu khó tạo nêntương tác như vậy [55]

Murugan và cộng sự [46] đã sử dụng phương pháp này để chế tạo các hệcompozit cấu trúc nano của HA với chitosan theo hai bước: kết tủa HA trong môitrường kiềm (ở pH=10,0 bằng NH4OH) từ các muối CaCl2, (NH4)2HPO4 và tiếptheo là trộn HA cấu trúc nano với các dung dịch chitosan nồng độ khác nhau trongaxit axetic ở nhiệt độ cố định

Finisie và các cộng sự [28] đã sử dụng phương pháp trộn để chế tạocompozit HA và chitosan cấu trúc xốp từ hỗn hợp của HA, nhôm và chitosan với tỉ

lệ khác nhau Vai trò của nhôm là tạo ra các lỗ xốp có kích thước hơn 100 m đượctạo thành qua quá trình tương tác giữa natri aluminat với dung dịch đậm đặc NaOHgiải phóng hydro Compozit HA/collagen cũng được chế tạo đơn giản bằng cáchtrộn bột HA và dung dịch hoặc gel collagen rồi tiến hành đông khô Xác định cấu

trúc của các compozit thu được bằng quy trình chế tạo này cho thấy, các hạt HA chỉ

bị “mắc kẹt vật lí” trong chất nền collagen được thể hiện trên Hình 1.5 Phươngpháp này đơn giản nhưng rất khó để phân tán đồng nhất HA trong chất nền polyme

do thiếu sự tương tác giữa pha vô cơ và pha hữu cơ

Hình 1.5 Compozit HA/collagen

(a) Sơ đồ mô tả các hạt HA bị “mắc kẹt” vật lí trong chất nền collagen,

(b) ảnh SEM HA kết tập trong chất nền collagen [34]

1.3.2.2 Phương pháp kết tủa trực tiếp

Mặc dù các phương pháp trộn, cơ nhiệt, điện hóa nêu trên có nhiều ưu điểm,nhưng các compozit thu được thường không đồng nhất ở mức vi cấu trúc vì khó cóđược sự phân bố đồng đều của pha vô cơ trong chất nền polyme Điều này có thểlàm suy giảm các đặc tính lý, hóa, cơ, tương thích sinh học và phân hủy sinh họccủa vật liệu Vì vậy, trong mấy thập niên gần đây, các nhà nghiên cứu đang tập trung

vào một phương pháp mới nhiều triển vọng là phương pháp kết tủa trực tiếp (in situ method) [1, 2, 6 – 9, 30, 32] Phương pháp này mô phỏng quá trình tạo thành

compozit vô cơ-hữu cơ trong tự nhiên Đối với compozit HA/polyme, kết tủa trựctiếp HA trong chất nền polyme cho phép kiểm soát cấu trúc và thành phần củacompozit với các tinh thể HA có kích thước nhỏ, độ tinh thể thấp, phân tán đồngđều trên nền polyme, tương tự như pha khoáng HA sinh học [1, 9, 30] Theophương pháp kết tủa trực tiếp, các polyme có thể được trộn đồng thời hoặc riêng

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

biệt với các tiền chất vô cơ của HA Tỉ lệ các thành phần và điều kiện phản ứngkhác nhau sẽ làm thay đổi các tính chất đặc trưng của compozit HA/polyme

Tampieri và cộng sự [63] đã chế tạo compozit HA/collagen và so sánh với

mô xương tự nhiên bằng cách sử dụng hai phương pháp khác nhau Phương phápthứ nhất là phân tán HA trong dung dịch collagen rồi thu được sản phẩm cuối cùngbằng kỹ thuật đông khô Phương pháp thứ hai là kết tủa trực tiếp HA trên các sợicollagen Compozit thu được bằng cách thứ nhất có cấu trúc tương tự như collagenban đầu không khoáng hóa Kích thước tinh thể HA không đồng nhất, thường kếttập và phân bố ngẫu nhiên vào chất nền, chứng tỏ rằng không có tương tác thực sựcủa HA với các sợi collagen Trong khi đó, phương pháp thứ hai cho phép quá trìnhtạo mầm tinh thể nano HA trực tiếp trên các sợi collagen tự lắp ráp Do vậy, haithành phần (HA và collagen) có sự tương tác mạnh, hình thành một vật liệu hoàntoàn tương tự với mô xương tự nhiên

S –C Liou và cộng sự [40, 41] đã chế tạo vật liệu compozit HA/polyacrylicaxit (PAA) bằng phương pháp kết tủa trực tiếp Tinh thể HA hình kim, độ tinh kém,

có cấu trúc nhân vỏ được kết tinh trực tiếp khi nhỏ dung dịch H3PO4 vào hỗn hợpchứa (CH3COO)2Ca và PAA Hình thái học của HA tạo thành phụ thuộc vào pH củadung dịch và hàm lượng của PAA

1.3.3 Đặc trưng của vật liệu compozit HA/polyme

Tính chất của vật liệu compozit chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi một số yếu tốnhư hình dạng, kích thước, tính chất, tỷ lệ cũng như tương tác giữa HA và polyme

1.3.3.1 Thành phần

Sự tồn tại và độ tinh thể của HA trong vật liệu compozit thường được đánhgiá bởi XRD [1 - 9, 28, 35] Thành phần pha vô cơ tạo thành phụ thuộc vào lượngchất ban đầu và các điều kiện phản ứng Để chế tạo HA, thường phải chuẩn bị cácdung dịch với tỉ lệ Ca/P là 1,67 đúng như tỉ lệ phân tử HA và duy trì pH phản ứng ởvùng kiềm Tuy nhiên, giản đồ XRD của các compozit với các polyme như collagen[34], chitosan [27], tinh bột[60], alginat [1]… thường có các đỉnh nhiễu xạ đặc

trưng của HA mở rộng, chứng tỏ HA tạo thành có kích thước nhỏ và độ tinh thểthấp tương tự như pha khoáng sinh học Phương pháp XRD cũng phát hiện ra cơchế hình thành pha HA trong compozit thông qua pha khoáng trung gian CaP Cácpolyme đã hạn chế việc chuyển pha từ các CaP vô định hình sang tinh thể HA vàcản trở việc khuếch tán các ion Ca2+, PO43-, OH- tạo mầm và phát triển tinh thể.

Fei Chen và cộng sự [27] đã dùng kỹ thuật XRD để nghiên cứu sự hìnhthành cũng như xác định kích thước tinh thể HA trong nền chitosan bằng phươngpháp kết tủa trực tiếp từ các dung dịch CaCl2 và Na2HPO4 (Hình 1.6)

Hình 1.6 Sự chuyển pha từ brushite sang HA theo thời gian [27]

Một mẫu được giữ ở pH 5; 6, các mẫu khác được điều chỉnh pH tăng lên 11bằng cách nhỏ NaOH và giữ ở 0,3; 1; 2; 4; 8 và 24 giờ rồi đông khô Ở pH 5,6 chỉ

có pha brushite hình thành, còn ở pH 11, pha brushite và các pha CaP vô định hìnhchuyển dần theo thời gian sang pha HA bền hơn

Sau 24 giờ già hóa, quá trình chuyển pha xảy ra gần như hoàn toàn, chỉ còntồn tại pha brushite ở lượng vết Kích thước trung bình và tốc độ phát triển tinh thể

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

tăng lên cùng với thời gian phản ứng và thời gian già hóa tại nhiệt độ 22oC Ngoài

ra, hàm lượng chitosan càng cao, kích thước tinh thể HA càng nhỏ

Hàm lượng của các thành phần trong hệ compozit thường được xác định bởiphương pháp DTA-TGA Khối lượng thực của các pha thường có khác biệt một ít

so với lượng chất tính toán ban đầu Bằng phương pháp TGA, W Y Đã xác địnhkhối lượng cuối cùng của HA là 10,2; 18,4 và 32,8% tương ứng với khối lượng banđầu 10; 20 và 30% trong compozit HA/PCL

Hình 1.7 trình bày đặc trưng nhiệt (DTA-TGA) khác nhau của các vật liệucompozit HA/chitosan với tỉ lệ thành phần thay đổi

Hình 1.7 Giản đồ DT-TGA của compozit HA/chitosan với hàm lượng khác nhau

Đường TGA cho thấy, trọng lượng mẫu giảm nhanh chóng khi nhiệt độ tăng,đặc biệt là trong phạm vi 40-130oC và 250-600oC Một hiệu ứng thu nhiệt rộng đượcquan sát xung quanh 80oC trên đường DTA được gán cho sự mất nước, trong khi haihiệu ứng tỏa nhiệt ở 345oC và trên 540oC được gán cho sự phân hủy nhiệt củachitosan Như vậy, các compozit có khả năng chịu nhiệt cao hơn 250oC và nhiệt độphân hủy giảm khi tăng hàm lượng HA Các đường TGA không cho thấy sự thay đổitrọng lượng trên 800oC, hàm lượng chitosan trong compozit được xác định từ sự thayđổi khối lượng giữa 250oC đến 800oC trên đường TGA Hàm lượng compozit

được tìm thấy gần như phù hợp với lượng chất ban đầu thêm vào trong quá trìnhđiều chế chứng tỏ chitosan kết hợp tốt với HA trong compozit.

1.3.3.2 Hình thái học

Hình thái học của compozit là một tính chất đặc trưng quan trọng, quyết địnhđến các tính chất khác và khả năng ứng dụng của vật liệu Nó bị ảnh hưởng bởi cácđiều kiện phản ứng, như: nồng độ, nhiệt độ, pH, thời gian, hình thái học của polymecũng như tương tác giữa polyme và HA Compozit HA/polyme có thể ở dạng hạt(micro hoặc nanomet), màng đơn lớp, màng đa lớp, ống, sợi, khung xốp… Thôngthường, hình thái học, kích thước và phân bố của compozit được xác định bằng kỹ

thuật TEM và SEM như thể hiện trên Hình 1.8

Hình 1.8 Hình thái học của compozit HA

Xiao và cộng sự [70] đã sử dụng một loại proteoglycan là chondroitin sunfat cónhiều trong sụn để điều tiết sự kết tinh HA và khảo sát hình thái học trong compozitHA/chondroitin sunfat Ở nồng độ chondroitin sunfat cao thu đươc các hạt

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

nano HA dạng hình vảy, trong khi ở nồng độ thấp, thu được các tinh thể ở dạng sợingắn Nghiên cứu đã sử dụng axit hyaluronic, một loại glycosaminoglycan khôngsunfat phân bố đều trong các mô mềm, làm chất nền để điều tiết sự tạo thành cáctinh thể HA Kết quả đã chỉ ra rằng, giá trị pH ban đầu và nồng độ của axithyaluronic có ảnh hưởng đến các lỗ trống canxi, hàm lượng cacbonat và hình tháihọc của HA

1.3.3.3 Tương tác giữa HA và polyme

Trong vật liệu compozit, các thành phần riêng lẻ vẫn cho thấy có tính lý, hóa ổnđịnh; nói cách khác, thành phần này không hợp nhất, cũng không tách biệt hoàn toànvới thành phần kia Như vậy, có thể xác định một cách độc lập pha vô cơ và chất nềnpolyme Tuy nhiên, chúng có thể tương tác thông qua các nhóm photphat, hydroxyl,ion canxi của HA và các nhóm chức của polyme Thông thường, phổ FT-IR được sửdụng để xác định các nhóm chức có trong các thành phần của compozit và sự tương tácgiữa các thành phần đó Sự xuất hiện dải mới hay thay đổi về cường độ và bước sóngcác dải sẽ là dấu hiệu tương tác hóa học giữa các pha [1-10]

Trong phổ FT-IR của compozit HA/chitosan, không quan sát thấy dải ở 1047

và 493 cm-1 của nhóm P-OH trong chitosan ở compozit, có thể là do sự tạo thànhmuối polyphotphonat Cường độ dải ở 991, 1088 cm-1 của P-OH của chitosan giảmsau khi tạo thành compozit, chứng minh các nhóm P-OH của chitosan đã tham gialiên kết với HA Xu hướng tương tự (cường độ giảm) trong trường hợp nhóm OH-của HA (631, 3571 cm-1) là dấu hiệu của sự liên kết giữa HA và polyme Hầu hếtcác dải hoặc trong polyme hoặc trong HA đã cho thấy sự thay đổi rõ ràng sau khitạo thành compozit Như vậy, việc so sánh các phổ FT-IR đã chỉ ra rằng có một liênkết hóa học tại bề mặt tương tác giữa hạt nano HA và polyme [27] Mô phỏng quátrình khoáng hóa sợi collagen trong mô xương bằng cách chế tạo compozitHA/alginat khi kết tủa trực tiếp HA trên các sợi alginat Sự tách đôi dải của PO43-tại

564 và 602 cm-1 và các dải đối xứng và bất đối xứng của dao động nhóm -COOchuyển về bước sóng thấp hơn chứng tỏ sự hình thành phức dạng “hộp trứng” vớiion canxi có vai trò là vị trí tạo mầm cho sự hình thành tinh thể HA

1.3.4 Ứng dụng của compozit HA/polyme

Vật liệu chứa HA có tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học, dẫnxương và polyme tương thích sinh học, phân hủy sinh học, không độc tạo ra loạivật liệu compozit HA/polyme có nhiều ứng dụng trong công nghệ mô [36, 46], cấyghép sửa chữa mô xương [5] và răng [58], xi măng chữa xương và răng [53],truyền dẫn và nhả chậm thuốc và gen [62, 63], ngăn ngừa sự phát triển của tế bàoung thư [37 - 39] … Phần sau trình bày một số ứng dụng chính:

1.3.4.1 Sửa chữa khuyết tật xương

Xương là một cấu trúc phân cấp điển hình Ở cấp độ nano, các tinh thể HAđược tạo thành dưới sự điều chỉnh của các sợi collagen tự lắp ráp Tại cấp độmicro, các sợi collagen khoáng hóa hình thành osteons, osteocytes, canaliculi, đó lànhững đơn vị cơ bản của xương đặc Như vậy, chất nền collagen điều chỉnh sựkhoáng hóa là cơ sở cho toàn bộ cấu trúc của mô xương [5] Do đó, chu trình phỏngsinh học sử dụng polyme làm chất nền điều tiết sự tạo thành tinh thể nano HA đượcxem là phương pháp chế tạo vật liệu compozit sinh học có tính dẫn xương và sinhxương tốt nhất [7, 8] Các khung xốp compozit HA/polyme đã được chế tạo đơngiản bằng cách pha trộn vật lý các hạt nano HA với dung dịch polyme và sau đó loại

bỏ dung môi bằng cách bay hơi Một số vật liệu đã được các công ty thương mạihóa như Collapat II (BioMet), Healos (Depuy Spine), Collagraft (Neucoll)

Như vậy, phương pháp tổng hợp trực tiếp HA trong chất nền polyme mới tạo

ra những vật liệu compozit có đầy đủ các đặc tính cơ học cần thiết và cấu trúc gầngiống với xương thật [57-60]

1.3.4.2 Sửa chữa khiếm khuyết răng

Trong quá trình phát triển ngành nha khoa, lấp đầy các khiếm khuyết lớntrong răng thường được sử dụng bằng kim loại và hợp kim, như vàng và hỗn hợp,được sử dụng để thay thế Tuy vậy, do không có cấu trúc giống răng, các miếngthay thế sẽ không có tính tương thích sinh học và rất khó khăn trong việc vệ sinh.Các vật liệu thay thế như : gốm sứ và polyme cũng được sử dụng rộng rãi để thay

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

thế hoặc hàn, trám các khuyết tật của răng [36, 48] Ngày nay, sự kết hợp giữa HA

và polyme trong vật liệu compozit được xem là phù hợp nhất cho việc sửa chữarăng và các mô nha chu nhằm kích thích sự tái tạo mô đã bị hư hỏng [59, 60]

Kim và cộng sự [61] đã tiến hành khử khoáng phần bên trong của răng và thuđược chất nền collagen xốp Sau đó, làm đầy nền xốp này bằng các compozit ở thểlỏng chứa nano CaP để tái tạo pha khoáng bên trong chất nền collagen có khả năngtruyền dẫn phần bên trong và lớp men răng bên ngoài Ngoài ra, phương pháp sửdụng các gel compozit HA/aga có thể bọc các bề mặt men răng để điều trị răng nhạycảm và sâu răng [25]

1.3.4.3 Truyền thuốc và gen

Các vật liệu compozit HA/polyme dạng xốp có khả năng giữ các loại thuốc

và gen rồi giải phóng chúng một cách có kiểm soát [63] Các hạt nano HA có tươngtác mạnh mẽ với nhiều protein và các vật liệu di truyền, điều này sẽ có ích cho việcmang và vận chuyển protein và gen Compozit HA/polyme có khả năng truyền dẫncác loại thuốc chống ung thư, thuốc kháng sinh hoặc protein sinh xương giúp choviệc điều trị có hiệu quả các khối u ác tính, viêm tủy xương, gãy xương.Nardecchia và cộng sự đã nghiên cứu các loại thuốc kháng sinh, chẳng hạn nhưciprofloxacin, có thể được đồng kết tủa với CaP trên bề mặt polyme CompozitHA/alginat mang thuốc kháng sinh gentamicin ở dạng hình cầu kích thước trungbình 16 µm có khả năng chống viêm [37, 39, 40]

Liu và cộng sự [38] đã nghiên cứu các huyết thanh albumin như một loạithuốc protein và đưa chúng vào các lớp phủ HA bằng cách đồng kết tủa trên hợpkim titan Các lớp phủ phỏng sinh học này đã làm chậm lại việc nhả protein và triểnvọng đầy hứa hẹn làm tác nhân dẫn

1.4 Tình hình nghiên cứu về HA và compozit HA/ Polymaltose ở nước ta

Ở nước ta, việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất vô cơ có khả năng ứngdụng làm vật liệu sinh học nói chung và vật liệu HA nói riêng còn nhiều hạn chế.Năm 2005, lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm

HA theo công nghệ của Italia và đã bước đầu thử nghiệm thành công trên động vật

[12].Một số nhóm khoa học tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vàĐại học Bách khoa Hà Nội cũng đang nghiên cứu chế tạo compozit xốp chứa HAhoặc màng HA trên các nền khác nhau

Từ năm 2005 đến nay, Phòng Hóa Vô cơ thuộc Viện Hoá Học - Viện Hànlâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố các kết quả nghiên cứu chế tạo

HA bột kích thước nano bằng phương pháp hoá học từ Ca(OH)2 và Ca(NO3)2 [13,15] Các nghiên cứu đã được ứng dụng vào sản xuất bột HA làm nguyên liệu chomột số thực phẩm chức năng bổ sung canxi như Fecafovit, Caotot, Growbust, Viêndưỡng khớp… HA xốp với cấu trúc xốp tự nhiên và nhân tạo được chế tạo bằngphương pháp phản ứng pha rắn, nén ép – thiêu kết, phản ứng thủy nhiệt [4] Để tậndụng nguồn canxi dồi dào sẵn có trong tự nhiên nên đã nghiên cứu tổng hợp HA từ

vỏ sò Lăng Cô bằng phương pháp kết tủa Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ tạobột HA đơn chất vô cơ, chưa gắn các polyme sinh học nên khả năng hấp thụ của cơthể không thật cao và hiệu quả Chính vì lẽ đó nên để phát huy tối đa các đặc tínhquý giá của HA nên phòng Hóa Vô cơ cũng có một số nghiên cứu HA dạng phứchợp như HA - tinh bột sắn, HA - alginate, HA - oligoalginat [1 - 3, 6 – 9]

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM2.1 HÓA CHẤT

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

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

- Cồn tuyệt đối Đức Giang (Việt Nam)

- Polymaltose: Sản phẩm từ tinh bột sắn do Viện Công nghiệp Thực phẩm cung cấp

2.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHẢN ỨNG ĐẾN HA/POLYMALTOSE

2.2.1 Lựa chọn phương pháp tổng hợp HA/polymaltose

Chuẩn bị huyền phù Ca(OH)2 nồng độ 0,25 M, dung dịch H3PO4 nồng độ0,15M Sử dụng thí nghiệm với mẫu polymaltose có DE = 25

Trong luận văn này, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tổng hợp compozitHA/polymaltose theo phương pháp kết tủa trực tiếp (in situ) Khi thêm polymaltosevào bình phản ứng bằng các cách khác nhau được mô tả trong 3 phương pháp sau:

PHƯƠNG PHÁP A (PPA):

Phân tán Ca(OH)2 trong nước trong 30 phút với tốc độ là 500 vòng/phút Sau

đó, nhỏ tiếp polymaltose vào bình khoảng 30 phút Khuấy hỗn hợp trong 3 giờ Sau

đó, thêm từ từ axit H3PO4 vào bình khoảng 30 phút, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 4giờ Để yên sản phẩm 15 giờ Sản phẩm được chia 2 phần để rửa với nước và rửavới rửa với hỗn hợp nước: Etanol = 1:1 đưa về pH = 7 Sau đó, đem ly tâm với tốc

độ 4000 vòng/phút trong thời gian 4 phút để thu sản phẩm Cuối cùng, làm khô sảnphẩm bằng phương pháp sấy đông khô

Mẫu được kí hiệu là HAPa

PHƯƠNG PHÁP B (PPB):

Tiến hành phản ứng tương tự như PPA nhưng nhỏ đồng thời Etanol và axit

H3PO4 vào bình phản ứng Sản phẩm được rửa với hỗn hợp nước: Etanol = 1:1.Mẫu được kí hiệu là HAPb

PHƯƠNG PHÁP C (PPC):

Tiến hành phản ứng tương tự như PPA nhưng nhỏ đồng thời polymaltose

và axit H3PO4 vào bình phản ứng Sản phẩm được chia 2 phần để rửa với nước vàrửa với hỗn hợp nước: Etanol = 1:1

Mẫu được kí hiệu là HAPc

Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN

Làm thí nghiệm theo PPC với 4 mẫu polymaltose có DE 12, 20, 25, 30 và

kí hiệu là HAP1, HAP2, HAP3, HAP4 với các thông số nhƣ sau:

Kí hiệu mẫu

Bảng 2.1: Hàm lượng polymaltose trong các mẫu compozit

Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở nhiệt độ nhƣ trên theo PPC với mẫupolymaltose có DE = 25

2.2.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H 3 PO 4

Tiến hành khảo sát tốc độ cấp axit H3PO4 ở ba mức độ nhƣ sau:

2.2.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Các thí nghiệm được thực hiện ở các nhiệt độ:

Thí nghiệm T1: 300C Mẫu được kí hiệu là HAPT1

Thí nghiệm T2: 600C Mẫu được kí hiệu là HAPT2

Thí nghiệm T3: 900C Mẫu được kí hiệu là HAPT3

Thực hiện các phản ứng với các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độcấp axit) được duy trì như mục được duy trì như mục 2.2.3.1 theo PPC

2.2.3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Các thí nghiệm được thực hiện ở các thời gian khuấy:

Thí nghiệm t1: 3 giờ Mẫu được kí hiệu là HAP3h

Thí nghiệm t2: 6 giờ Mẫu được kí hiệu là HAP6h

Thí nghiệm t3: 8 giờ Mẫu được kí hiệu là HAP8h

Thực hiện các phản ứng ở 300C, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit,tốc độ khuấy) được duy trì như mục 2.2.3.1 theo PPC

2.2.3.5 Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm

Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của làm khô sản phẩm ở 3 điều kiện sau:Sấy sản phẩm trong máy đông khô Mẫu được kí hiệu là ĐK

Sấy sản phẩm trong tủ sấy ở 60oC Mẫu được kí hiệu là ST60

Sấy sản phẩm trong tủ sấy ở 100oC Mẫu được kí hiệu là ST100

Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit) được duy trì như mục 2.2.3.1

Các mẫu được đánh giá bằng các phương pháp XRD, SEM, TEM, FT – IR, DTA-TGA

2.3 Các phương pháp xác định đặc trưng

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

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