Phân tích xác định thành phần và các đặc trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate

Để cải thiện các đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học và nâng cao hơn nữa khả năng hấp thụ của cơ thể, một xu hướng mới là tổng hợp HA nhân tạo ở các dạng và gắn chú

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO THỊ THANH TÂM

ĐÀO THỊ THANH TÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích

Thái Nguyên-2018

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

ĐÀO THỊ THANH TÂM

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới ban lãnh đạo viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đặc biệt là phòng Hóa vô cơ đã đã tạo điều kiện cho tôi về mặt thời gian cũng như cơ sở vật chất để tôi hoàn thiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã quan tâm, giúp

đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Học viên

Đào Thị Thanh Tâm

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Canxi hydroxyapatite 2

1.1.1 Đặc điểm, tính chất 2

1.1.2 Ứng dụng 4

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp 7

1.2 Alginate 9

1.2.1 Đặc điểm, tính chất 9

1.2.2 Ứng dụng của alginate 12

1.3 Composite canxi hydroxyapatite với alginate 14

1.3.1 Đặc điểm, tính chất và ứng dụng 15

1.3.2 Kỹ thuật và phương pháp chế tạo 16

1.3.3 Ứng dụng của composite HA/polyme 17

1.4 Tình hình nghiên cứu về HA và composite HA/ Alginate ở nước ta 19

1.5 Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần

và các đặc trưng của vật liệu 20

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 20

1.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại 21

1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét 21

1.5.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua 21

1.5.5 Phương pháp phân tích nhiệt 22

1.5.6 Phương pháp sắc ký tẩm thấu gel (GPC) 22

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 24

2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 24

2.1.1 Dụng cụ 24

2.1.2 Thiết bị 24

2.1.3 Hóa chất 24

2.2 Alginate và các oligoalginate 25

2.2.1 Chuẩn bị alginate và các oligoalginate 25

2.2.2 Xác định các thành phần đặc trưng của alginate và các oligoalginate 25

2.3 Tổng hợp composite HA/Alg 25

2.3.1 Tiến trình tổng hợp 25

2.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu 26

2.4 Phân tích, xác định thành phần và các đặc trưng của HA/Alg 27

2.4.1 Xác định thành phần pha và đặc trưng cấu trúc vật liệu 27

2.4.2 Phân tích, đánh giá hình thái học và kích thước hạt của vật liệu 27

2.4.3 Phân tích, đánh giá đặc trưng nhiệt tính chất nhiệt của vật liệu 28

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Chuẩn bị alginate và các oligoalginate 29

3.1.1 Phân tích các đặc trưng cấu trúc của alginate ban đầu 29

3.1.2 Tách và xác định các đặc trưng của các oligoalginate giàu khối M và khối G34 3.2 Nghiên cứu quá trình tổng hợp composite HA/Alg 36

3.2.1 Phân tích hàm lượng alginate cần thiết 37

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 40

3.2.3 Ảnh hưởng của dung môi rửa 42

3.2.4 Vai trò của cấu trúc polyme của alginate 42

3.3 Phân tích xác định thành phần và một số đặc trưng tính chất

của composite hướng đến ứng dụng trong dược phẩm 46

3.3.1.Thành phần HA và alginate 46

3.3.2 Hàm lượng kim loại nặng và vi sinh vật 47

3.3.3 Độ nhiễm khuẩn 47

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

Tiếng Việt 49

Tiếng Anh 50

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HA Canxi hydroxyapatit

HA/Alg Composite của HA và alginate

XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X

FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại

SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét

TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai - nhiệt trọng lượng GPC Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các mẫu thực nghiệm với tỷ lệ HA/Alg khác nhau 26

Bảng 3.1 Kết quả phân tích phổ 13 C-NMR của mẫu alginate 32

Bảng 3.2 Kết quả phân tích phổ 1 H-NMR của mẫu alginate 33

Bảng 3.3 Hàm lượng alginate thực tế trong các mẫu composite 38

Bảng 3.4 Các mẫu alginate 43

Bảng 3.5 Hàm lượng kim loại nặng trong mẫu composite 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA 2

Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA 3

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA 3

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể 5

Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 6

Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt 6

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa 8

Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm 9

Hình 1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginate: a) Các monome của alginate; b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginate 10

Hình 1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginate 11

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp composite HA/Alg 25

Hình 3.1 Giản đồ XRD mẫu alginate 29

Hình 3.2 Phân bố trọng lượng phân tử mẫu alginate 30

Hình 3.3 Phổ FTIR mẫu alginate 31

Hình 3.4 Phổ 13 C NMR mẫu alginate 32

Hình 3.5 Phổ 1 H NMR mẫu alginate 33

Hình 3.6 Phân bố trọng lượng phân tử mẫu G(a) và M(b) tạo thành 35

Hình 3.7 Phổ 13 C NMR mẫu G (a) và M (b) 36

Hình 3.8 Giản đồ TG-DTA của mẫu HA, mẫu alginate ban đầu và các mẫu composite với hàm lượng alginate khác nhau 38

Hình 3.9 Giản đồ XRD các mẫu composite với hàm lượng alginate khác nhau 39

Hình 3.10 là ảnh SEM của các mẫu composite với hàm lượng alginate

thay đổi so sánh với mẫu HA không có alginate 39

Hình 3.10 Ảnh SEM của các mẫu HA/Alg 40

Hình 3.11 Giản đồ XRD của các mẫu composite HA/Alg 41 Hình 3.12 Ảnh TEM của các mẫu HA/Alg

tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau: a 10o

C, b 30o

C và c 60o

41

Hình 3.13 Ảnh SEM của các mẫu composite 42

Hình 3.14 Ảnh SEM của mẫu HA và các mẫu composite 43

Hình 3.15 Ảnh TEM của các mẫu composite với các alginate

khác nhau a-HA, b-HAA1, c-HAG, d-HAM, e-HAA2 44

Hình 3.16 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu composite HA/alginate 46

MỞ ĐẦU Cùng với các dược phẩm truyền thống, thực phẩm chức năng hiện nay đang trở thành một vấn đề thu hút sự quan tâm của xã hội trong việc chăm sóc và bảo vệ sức khỏe con người

Đối với cơ thể người, canxi đóng vai trò rất quan trọng, được cung cấp cho cơ thể từ nguồn thức ăn hàng ngày, tuy vậy thường không đầy đủ và cân đối Khi thiếu quá nhiều canxi mà không được bổ sung kịp thời, cơ thể sẽ bị loãng xương, còi xương Trên thế giới cũng như ở nước ta, đây là những bệnh phổ biến và có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống con người Do vậy nhu cầu về thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, chống loãng xương, là rất lớn

Trong số các chất được sử dụng để bổ sung canxi phải kể đến canxi hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2 -HA) HA hợp chất chứa đồng thời canxi và photpho, cũng là thành phần khoáng của xương và răng người Đây là hợp chất rất được quan tâm nghiên cứu do các đặc tính quý giá của chúng: có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến tái sinh xương nhanh, không bị cơ thể đào thải

Để cải thiện các đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học

và nâng cao hơn nữa khả năng hấp thụ của cơ thể, một xu hướng mới là tổng hợp

HA nhân tạo ở các dạng và gắn chúng lên các polyme, đặc biệt là các polyme có hoạt tính sinh học cao dưới dạng vật liệu phức hợp bằng các phương pháp hóa học Các polyme đang được tập trung theo hướng này là các polyme tự nhiên như chitosan, collagen, gelatin và các polysaccarit biến tính từ tinh bột

Các nghiên cứu về những lĩnh vực này ở nước ta còn chưa được quan tâm nhiều Nghiên cứu về chế tạo bột HA ở dạng phức hợp hướng đến ứng dụng trong y sinh học và dược học còn khá hạn chế Trong khi đó nguồn polyme thiên nhiên ở nước ta lại rất dồi dào Đặc biệt với bờ biển dài hơn 3.260 km, nước ta có một nguồn cung cấp các loài rong biển rất lớn, các sản phẩm thu được từ rong biển vô cùng phong phú trong đó có nguồn alginate

Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, với mong muốn góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong y sinh học và dược học, chúng tôi đã lựa chọn đề tài:“Phân tích xác định thành phần và các đặc trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Canxi hydroxyapatite

1.1.1 Đặc điểm, tính chất

Canxi hydroxyapatite (HA), có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh

lơ, tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp HA nóng chảy ở nhiệt độ 1760o

C; sôi ở 2850o

C; độ tan trong nước: 0,7 g/l; khối lượng phân tử: 1004,60; khối lượng riêng: 3,156 g/cm3

; độ cứng theo thang Mohs: 5

HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800 - 1200o

C tùy thuộc vào phương pháp điều chế và dạng tồn tại

Tùy theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol - gel, phương pháp điện hóa) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như nhiệt độ phản ứng, nồng độ, thời gian già hóa sản phẩm…) mà các tinh thể có hình dạng khác nhau [10]

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

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

Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml [ ] Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+

, PO4 3- và OH- được sắp xếp trong các ô đơn vị như hình 1.2

Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion Trong 10 nhóm PO4

3- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ

có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH-

chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA Điều này có thể giải thích

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

, 6 nhóm PO4

3- và 2 nhóm OH

-,

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

Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3 Phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hóa trị Hai nhóm OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [11]

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA

HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước:

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

HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 đến 1200oC tạo thành oxy - hydroxyapatit theo phản ứng:

Ca10(PO4)6(OH)2
Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1)

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP) và

Ca4P2O9 hoặc CaO:

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

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

Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn kích thước nano,

HA là dạng canxi photphate dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao

1.1.2 Ứng dụng

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

Ở dạng bột: Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HA HA ở dạng bột mịn, kích

thước nano được cơ thể người hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản, do vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit có trong dạ dày Vì những đặc tính này,

HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [12]

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

Ở dạng màng: Lớp màng HA chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) được phủ lên bề mặt vật liệu bằng kim loại và hợp kim bằng các phương pháp điện hóa và phương pháp điện di trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng

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

vi ứng dụng của màng n - HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông tiến đến có thể sử dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các vị trí khác [13]

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

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

và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [14]

- Chế tạo mắt giả: HA tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc biệt có khả năng thích ứng cao với cơ thể [15]

- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương [16]

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

Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (hình 1.5) có kích thước và độ xốp khác nhau Sau đó, gia công sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [5]

Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA

dạng khối xốp hoặc dạng hạt Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như:

- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [18];

- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [8];

Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán isulin trong ruột [8]

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp

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

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

1.1.3.1 Phương pháp kết tủa

Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO4

3- 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 Ca2+ và PO4

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

Để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (chiều tạo HA), cần duy trì pH của hỗn hợp phản ứng ở pH từ 10 - 12

Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ 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, độ pH của hỗn hợp phản ứng giảm dần H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn:

H3PO4 ↔ H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2

H2PO4- ↔ HPO4

+ H+ pKa2 = 7,2 HPO42- ↔ PO43

- + H+ pKa3 = 12,3 Khi thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO4

2

- và H2PO4 ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm HA Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7

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

1.1.3.2 Phương pháp siêu âm hóa học

Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước nano, có thể tiến hành phản ứng hóa học trong môi trường sóng có tần số lớn như sóng siêu âm

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

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

Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng tốc độ tạo mầm tinh thể Quá trình tạo - vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao Các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn tùy thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm [5] 1.1.3.3 Các phương pháp khác

Ngoài 2 phương pháp cơ bản nêu trên, có nhiều phương pháp khác để tổng hợp HA dạng bột như [18] [19]: Phương pháp sol - gel, Phương pháp phun sấy, Phương pháp composite, Phương pháp điện hóa, Phương pháp thủy nhiệt, Phương pháp phản ứng pha rắn, Phương pháp hóa - cơ và một số phương pháp vật lý như phương pháp plasma, bốc bay chân không, phun xạ magenetron, hồ quang,… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu trơ về mặt sinh học [7]

1.2 Alginate

1.2.1 Đặc điểm, tính chất

Alginate là loại polyme sinh học có nguồn gốc từ biển phong phú nhất thế giới, là loại polyme sinh học nhiều thứ hai sau cellulose Theo tài liệu [20], alginate được nhà hóa học người Anh E.C.C Stanford tìm ra năm 1881, là một polysaccarit có mặt trong rong nâu với hàm lượng cao nhất, lên đến 40% khối lượng chất khô

Alginate nằm trong hệ thống gian bào ở dạng gel chứa các ion natri, canxi, magie, stronti và bari Chức năng chính của chúng được cho là bộ khung, tạo nên cả

độ bền vững lẫn độ mềm dẻo của mô rong [21]

Alginate là tên gọi chung các muối của axit alginic Trong thuật ngữ phân tử, alginat là một họ của copolyme nhị phân không phân nhánh gồm các gốc β-D- mannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozid

Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các monome trong chuỗi mạch, tạo nên các đoạn homopolyme (MM hoặc GG) lẫn các heteropolyme (MG hoặc GM) Khối lượng phân tử của alginate thường trong khoảng 50 - 1000kDa [21-22]

Hình 1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginate: a) Các monome của alginate; b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginate

- Độ tan: Có ba yếu tố quan trọng quyết định độ tan của alginate trong nước

đó là: độ cứng của nước, độ pH và lực ion tổng của các chất tan Độ cứng của nước (ví dụ như hàm lượng ion Ca2+

) được xem là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ tan Độ

pH của dung môi là yếu tố quan trọng bởi vì nó xác định điện tích trên các gốc uronic Lực ion của môi trường cũng đóng vai trò quan trọng (hiệu ứng muối kết của các cation không tạo gel) Hàm lượng của các ion tạo gel trong dung môi cũng hạn chế sự hòa tan của alginate [20,23]

- Độ nhớt: Khi nằm trong vách tế bào, alginate có độ nhớt cao nhưng khi tách chiết bằng phương pháp khác nhau, alginate bị giảm độ nhớt Alginate có khối lượng phân tử trung bình lớn thì độ nhớt càng lớn Tỷ lệ mannuronic/guluronic (M/G) cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của sản phẩm Tuy nhiên, tỷ lệ M/G và trọng lượng phân tử lại phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố: Loài rong, độ trưởng thành, khu vực sinh trưởng, kỹ thuật chiết xuất, thời gian bảo quản Độ nhớt dung dịch alginate biến thiên trong dải rộng từ 10 mPa.s đến 1000 mPa.s (dung dịch 1%) Với một chút muối canxi sẽ làm tăng độ nhớt cho sản phẩm hay độ cứng của gel canxi alginate tạo ra Các alginate mà có tỷ lệ G cao hay M/G thấp sẽ cho gel rắn hơn [24]

- Độ ổn định: Giống như các polysaccarit tự nhiên khác, alginate không bền với nhiệt và ion kim loại… Độ ổn định của alginate sắp xếp theo thứ tự: natri alginate > amoni alginate > axit alginic Alginate có độ nhớt cao kém ổn định hơn alginate có độ nhớt trung bình hoặc thấp Bột alginate rất dễ bị giảm độ nhớt nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp Khi lưu trữ alginate có độ nhớt khoảng 50 mPa.s ở 10 - 20o

C, trong thời gian 3 năm, độ nhớt thay đổi rất ít so với ban đầu Còn với alginate có độ nhớt cao (khoảng 4000 mPa.s), khi bảo quản ở 25o

C sau một năm

độ nhớt bị giảm 10% và ở 33o

C thì bị giảm 45% Dung dịch alginate ổn định ở pH từ 5,5 - 10 tại nhiệt độ phòng một thời gian dài, nhưng sẽ chuyển sang dạng gel ở pH nhỏ hơn 5,5[25]

- Tính chất tạo gel: Dung dịch natri alginate có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion hóa trị II, III Khi nhỏ một giọt dung dịch natri alginate vào dung dịch CaCl2 sự tạo gel xảy ra gần như tức thời trên bề mặt của giọt và cho ta hạt gel có dạng hình cầu Các gel được tạo thành ở bất kỳ nhiệt độ nào (dưới 100oC) và không bị chảy ra khi đun nóng Khả năng tạo gel này được giải thích bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng” của phân tử canxi alginate Khi có mặt các ion hóa trị II, III ở nồng độ thích hợp thì sự tạo gel xảy ra, các phân tử sắp xếp song song, các phần gấp nếp của đoạn GGGG tạo thành khoảng không gian như chỗ đặt trứng Các ion canxi chui vào khoảng trống này, liên kết 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 gần nhau hơn và ép nước thoát ra ngoài, khi đó gel alginate được hình thành

Hình 1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginate

a) Mô hình hạt gel canxi alginate; b) Liên kết của block G với ion canxi

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

Khả năng tạo gel của các muối alginate còn phụ thuộc vào kích thước của ion kim loại Ái lực của alginate đối với các ion kim loại hóa trị II khác nhau giảm theo trình từ: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+ Tùy thuộc vào loại ion liên kết và loại alginate mà gel tạo thành có tính chất khác nhau [20,26]

và mỗi khối thường chứa 3 đến 30 đơn vị monome Gần đây, các oligome của alginate thu được bằng việc cắt mạch alginate nhờ enzym với những tính năng đặc biệt như kích thích tăng trưởng vi khuẩn đường ruột bifidobacteria [66, 67], thúc đẩy quá trình nảy mầm hạt giống và phát triển rễ, thân, lá của cây, có khả năng kháng virut [68] Các oligoalginate với thành phần và trật tự monome thích hợp có những ứng dụng quan trọng như oligoalginate giàu các khối G được dùng để loại bỏ các ion kim loại độc hại như chì, stronti và bari Trong khi đó, các oligoalginate giàu các khối M có tác dụng kích thích các tế bào trong cơ chế bảo vệ bằng miễn dịch chống lại sự nhiễm trùng và các tổn thương do phóng xạ… [69,70] Hiện nay, để điều chế các oligoalginate có thể dùng các enzym đặc hiệu hoặc dùng axit thủy phân

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

đó canxi thay thế natri trong alginate, giữ lấy các phân tử alginate dài với nhau và kết quả là tạo gel Quá trình tạo gel không cần đun nóng và gel thu được không bị chảy khi đun nóng Đặc điểm thứ ba của alginat là khả năng tạo màng và sợi canxi alginate [27 ]

- Trong một số ngành kỹ thuật: Ứng dụng kỹ thuật quan trọng phổ biến nhất

là tạo một chất tạo màng trong in vải sợi, ở đó alginate thu hút được sự chú ý cao nhờ mang lại sự thẫm màu, độ rực rỡ và độ đồng nhất Nhu cầu alginate dùng trong

in vải sợi chiếm khoảng 50% tổng lượng alginate sản xuất trên toàn thế giới[ 27] [28 ] Alginate cũng dùng để tráng bề mặt giấy để đạt sự đồng nhất và làm tác nhân gắn kết trong việc sản xuất que hàn[29]

- Trong y - dược: Alginate đã được sử dụng trong hàng thập kỷ làm chất trợ giúp trong các ứng dụng khác nhau trong y tế Một số ví dụ bao gồm việc sử dụng làm vải băng bó vết thương truyền thống [ 3 0 ] , làm vật liệu lấy dấu răng và trong một số dược phẩm chảy máu dạ dày Việc sử dụng alginate làm chất ổn định ngày càng phổ biến trong nhiều quá trình công nghệ sinh học khác nhau Sự bắt giữ tế bào bên trong các hạt cầu Ca - alginate đã trở thành kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi nhất để cố định tế bào sống [26] Triển vọng lớn nhất với các tế bào được cố định bằng gel alginate là việc ứng dụng khả năng của chúng trong việc cấy ghép tế bào Ở đây, mục đích chính của sự tạo gel là tác dụng như một hàng rào giữa bộ phận ghép

và hệ thống miễn dịch của vật chủ Các tế bào khác nhau đã được đề nghị cho việc

cố định gel bao gồm các tế bào tuyến cận giáp để điều trị bệnh canxi huyết và tế bào sản xuất dopamine nhuộm màu tuyến thượng thận để điều trị bệnh Parkinso[20] Alginate hiện nay được tập trung nghiên cứu cho các tế bào sản xuất insulin để điều trị bệnh tiểu đường tuyp I [31]

- Trong thực phẩm: Alginate được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện, bổ sung và ổn định kết cấu bên ngoài của thực phẩm Các ứng dụng này dựa trên các tính chất như làm tăng độ nhớt, khả năng tạo gel và làm ổn định hỗn hợp với nước chống đông và nhũ hóa Trong sản xuất kem, axit alginic và muối của nó có thể

dùng làm chất ổn định trong kem ly, làm kem có mùi thơm, chịu nóng tốt, thời gian khuấy trộn lúc sản xuất ngắn Một sản phẩm chứa axit alginic có tên là Lamizell là muối kép của natri và canxi với một tỷ lệ nhất định Lamizell tạo ra một độ nhớt đặc biệt và có khả năng kích thích ngon miệng, do đó rất được quan tâm trong thực phẩm Trong ứng dụng làm mứt, thạch, thực phẩm mùi hoa quả…, khả năng đồng tạo gel giữa alginate giàu G và pectin este hóa cao có vai trò rất hữu ích Hệ alginat/pectin có thể tạo ra gel thuận nghịch, ngược với gel alginate

có liên kết ngang ion thuần túy [20,27]

1.3 Composite canxi hydroxyapatite với alginate

Xương tự nhiên được biết đến là một mô phức tạp gồm 70% HA và 30% mạng lưới collagen loại I về khối lượng Trong đó, các hạt HA phân bố có tổ chức và đều đặn trong nền collagen Trong xương tự nhiên, có mối liên kết giữa xương với các mô sống xung quanh, chúng hoạt động như một khung xương có đủ độ bền cơ học và kích thích phát triển hình thành mô xương mới Điều này đòi hỏi một vật liệu sinh học tiên tiến có chức năng như một mạng lưới tế bào tạm thời và có khả năng xúc tác cho sự phát triển của tế bào gốc [46] Vật liệu nano composite HA/polyme sinh học được coi là một vật liệu tiềm năng cho kỹ thuật mô Do vậy, sự quan tâm tập trung phát triển vật liệu sinh học composite HA/polyme tạo ra vật liệu có khả năng tái tạo cấu trúc phân cấp phức tạp của xương

Năm 1993, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đã phê duyệt sản phẩm Collagraft được chế tạo trên cơ sở composite HA/tricanxi phosphate

và collagen chiết xuất từ xương bò phối hợp với tủy xương bệnh nhân Các nghiên cứu cho thấy, khi kết hợp HA với các polyme, tính tương thích sinh học giữ nguyên

và tính chất cơ học được tăng lên Nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào tổng hợp composite này cho thấy đã đạt được những cải thiện đáng kể về tính chất cơ học Một nhóm nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley công

bố đã phát triển được một sản phẩm composite trên cơ sở HA và poly 2-hydroethyl methacrylat Dự kiến sản phẩm này sẽ có vai trò quan trọng trong các bộ phận xương

và răng cấy ghép, phát triển xương, liệu pháp chữa khuyết tật xương Trên cơ sở HA

và collagen, một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu thành công một loại xương nhân tạo có tính năng như vật liệu dạng khối xốp, rất mềm và có thể dùng kéo cắt để định dạng theo ý muốn, dễ dàng cấy ghép vào cơ thể

1.3.1 Đặc điểm, tính chất và ứng dụng

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

Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của nó Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composite chứa HA [37]

Các loại composite từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xương thay thế với tính chất sinh học và cơ học tốt hơn Vật liệu sinh học tự nhiên gồm collagen, gelatin, chitosan, alginate, tơ sợi… đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong y sinh học Trong số

đó, alginate được chú ý do là polyme ưa nước, không độc tính, có tương thích sinh học và giá thành phù hợp Với những đặc tính đó, alginate được sử dụng rộng rãi làm chất nền trong công nghệ mô, xương, sụn, da… [46,24]

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

hệ thống truyền dẫn thuốc, kháng sinh và kháng nấm, phẫu thuật chỉnh hình, nha khoa… [55] Sự có mặt HA cùng với alginate làm tăng sự gắn kết tế bào bên trong

và cung cấp sự lựa chọn thích hợp khung xương cho kỹ thuật mô Một số nghiên cứu

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

Composite HA/Alg hình thành là kết quả sự phân tán trực tiếp hạt HA vào chuỗi polyme alginate, nó được sử dụng như một khung đỡ cho sự phát triển của xương và mô composite HA/Alg có cơ tính tốt được phát triển bằng cách kết hợp bột HA với alginate liên kết ngang ion với canxi Các đặc tính cơ học có thể tăng

cùng với sự tăng của hàm lượng alginate [36] Điều chế composite HA/Alg từ hạt

HA hình cầu với alginate đảm bảo vật liệu thay thế xương được giữ lại ở vị trí cấy ghép tránh sự nhiễm trùng về sau

1.3.2 Kỹ thuật và phương pháp chế tạo

Phương pháp composite nói chung cũng được sử dụng để chế tạo các vật liệu dạng khối xốp chứa HA Ở phương pháp này, HA được sử dụng thường ở dạng hạt

và chất nền là các phân tử alginate Sự kết hợp của hạt HA với alginate ở dạng vật liệu composite là một phương thức đơn giản và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu ban đầu này

1.3.2.1 Phương pháp cơ nhiệt

Quá trình kết hợp HA ở dạng hạt và dạng gốm xốp vào alginat được tiến hành bằng các kĩ thuật chế tạo nhựa thông thường Quá trình chế tạo bao gồm các giai đoạn pha trộn, nghiền, gia nhiệt và nén hoặc đúc phun ép

Na2HPO4, CaCl2, Ca(OH)2…

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

Để tạo ra vật liệu phù hợp với mục đích nêu trên, các composite HA/Alg được chế tạo với hàm lượng khác nhau được bằng phương pháp kết tủa trực tiếp Sau đó, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginate qua các đặc trưng hình thái học của tinh

thể HA, sự tương tác hóa học giữa HA và alginate, cũng như các vi cấu trúc của vật liệu composite Nghiên cứu này đưa ra hướng mới tạo ra composite trên cơ sở HA

và alginate ứng dụng để sửa chữa và tái tạo xương

Ngoài ra, composite HA/Alg còn được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau Lin và Yeh chế tạo một sản phẩm dạng xốp giữa gel canxi alginate liên kết ngang với HA kích cỡ nanomet bằng phương pháp đông khô Thêm HA vào trong thành phần làm tăng độ nén và gắn tế bào xương với alginate tinh khiết [46] Chế tạo gel composite HA/collagen/alginate từ hỗn hợp bột HA, collagen và dung dịch alginate Xương hình thành từ hỗn hợp gel này thử nghiệm trong xương đùi chuột [45] Người ta cũng nghiên cứu quá trình hình thành composite HA/Alg dạng sợi (đường kính khoảng 10 µm) thông qua dung dịch natri alginate pha trộn với tinh thể

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

Đặc điểm chung quá trình tổng hợp composite HA/Alg bằng phương pháp trộn cơ học thông thường là sự tham gia của Ca2+

liên kết ngang với alginate Tuy nhiên, sự liên kết bề mặt giữa pha vô cơ và polyme trong vật liệu này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu

1.3.3 Ứng dụng của composite HA/polyme

Vật liệu chứa HA có tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học, dẫn xương

và polyme tương thích sinh học, phân hủy sinh học, không độc tạo ra loại vật liệu composite HA/polyme có nhiều ứng dụng trong công nghệ mô [54, 55], cấy ghép sửa chữa mô xương [3] và răng [39], xi măng chữa xương và răng [56], truyền dẫn và nhả chậm thuốc và gen [57, 58], ngăn ngừa sự phát triển của tế bào ung thư [59 , 60]

… Dưới đây là một số ứng dụng chính:

1.3.3.1 Sửa chữa khuyết tật xương

Xương có cấu trúc phân cấp điển hình Ở cấp độ nano, các tinh thể HA được tạo thành dưới sự điều chỉnh của các sợi collagen Tại cấp độ micro, các sợi collagen khoáng hóa hình thành osteons, osteocytes, canaliculi, đó là những đơn vị cơ bản của xương đặc Như vậy, chất nền collagen điều chỉnh sự khoáng hóa là cơ sở cho toàn

bộ cấu trúc của mô xương [3] Từ đó, chu trình phỏng sinh học sử dụng polyme làm chất nền để tạo ra tinh thể nano HA được xem là phương pháp chế tạo vật liệu

composite sinh học có tính dẫn xương và sinh xương tốt nhất [7, 8] Các khung xốp composite HA/polyme đã được chế tạo đơn giản bằng cách pha trộn vật lý các hạt nano HA với dung dịch polyme, sau đó loại bỏ dung môi bằng cách bay hơi Một số vật liệu đã được các công ty thương mại hóa 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 composite có các đặc tính cơ học cần thiết và cấu trúc gần giống với xương thật [57-60]

1.3.3.2 Sửa chữa khiếm khuyết răng

Trong ngành nha khoa, các kim loại và hợp kim, như vàng và hỗn hợp thường được sử dụng để thay thế, lấp đầy các khiếm khuyết lớn trong răng Tuy nhiên, do không có cấu trúc giống răng, các miếng thay thế này sẽ không có tính tương thích sinh học và rất khó khăn trong việc vệ sinh Các vật liệu thay thế thông dụng như : gốm sứ và polyme đã được sử dụng rộng rãi để thay thế hoặc hàn, trám các khuyết tật của răng [54, 61] Ngày nay, sự kết hợp giữa HA và polyme trong vật liệu composite được xem là phù hợp nhất cho việc sửa chữa răng và các mô nha chu nhằm kích thích sự tái tạo mô đã bị hư hỏng [59, 60]

Kim và các cộng sự [62] đã tiến hành khử khoáng phần bên trong của răng và thu được chất nền collagen xốp Sau đó, làm đầy nền xốp này bằng các composite ở thể lỏng chứa nano CaP để tái tạo pha khoáng bên trong chất nền collagen có khả năng truyền dẫn phần bên trong và lớp men răng bên ngoài Phương pháp sử dụng các gel composite HA/aga còn có thể bọc các bề mặt men răng để điều trị răng nhạy cảm và sâu răng [64]

1.3.3.3 Truyền thuốc và gen

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

và gen rồi thải chúng một cách có kiểm soát [64] Các hạt nano HA có tương tác mạnh mẽ với nhiều protein và các vật liệu di truyền, điều này có tác dụng cho việc mang và vận chuyển protein và gen Composite HA/polyme có khả năng truyền dẫn các loại thuốc chống ung thư, thuốc kháng sinh hoặc protein sinh xương giúp cho việc điều trị các khối u ác tính, viêm tủy xương, gãy xương trở nên có hiệu quả

Composite HA/alginate mang thuốc kháng sinh gentamicin ở dạng hình cầu kích thước trung bình 16 µm có khả năng chống viêm [37, 39, 40]

Liu và cộng sự [65] đã nghiên cứu ra các huyết thanh albumin như một loại thuốc protein và đưa chúng vào các lớp phủ HA bằng cách đồng kết tủa trên hợp kim titan Các lớp phủ phỏng sinh học này đã làm chậm lại việc nhả protein và triển vọng đầy hứa hẹn làm tác nhân dẫn

1.4 Tình hình nghiên cứu về HA và composite HA/ Alginate ở nước ta

- Vật liệu composite HA/polyme là tương đối mới mẻ, có một số nghiên cứu đã được công bố nhưng chưa có nhiều Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã có một số kết quả được công bố như: Năm 2009, đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composite collagen/hydroxyapatite bằng phương pháp đồng kết tủa cho mục đích ứng dụng trong y sinh học [8]; Năm 2012, đã tổng hợp được vật liệu composite hydroxyapatite trên nền tinh bột từ canxinitrat Trong đó, composite được chế tạo theo hai phương pháp là: điều chế HA trực tiếp trong môi trường có tinh bột và phương pháp trộn cơ học HA với tinh bột [9]; Từ năm 2013 đến nay, đã có một số bài báo được công bố về tổng hợp và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng của composite hydroxyapatite/tinh bột, composite hydroxyapatite/maltodextrin bằng phương pháp kết tủa trực tiếp [4, 33]

- Ở nước ta: Vật liệu composite HA/polyme là tương đối mới mẻ, có một số nghiên cứu đã được công bố nhưng chưa có nhiều Cụ thể như:

- Năm 2005, Viện Công nghệ Xạ hiếm đã lần đầu tiên triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và bước đầu đã thử nghiệm thành công trên động vật [6]

- Một số nhóm khoa học tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

và Đại học Bách khoa Hà Nội cũng đã nghiên cứu chế tạo composite xốp chứa HA hoặc màng HA trên các nền khác nhau

- Năm 2012, đã tổng hợp được vật liệu composite hydroxyapatite trên nền tinh bột từ canxinitrat Trong đó, composite được chế tạo theo hai phương pháp là: điều chế HA trực tiếp trong môi trường có tinh bột và phương pháp trộn cơ học HA với tinh bột [4];

Đến nay, Phòng Hóa Vô cơ thuộc Viện Hoá Học - Viện Hàn lâm 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 [7, 9] Các nghiên cứu đã được ứng dụng vào sản xuất bột HA làm nguyên liệu cho một số thực phẩm chức năng bổ sung canxi như Fecafovit, Caotot, Growbust, Viên dưỡng khớp… HA xốp với cấu trúc xốp tự nhiên và nhân tạo được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, nén ép – thiêu kết, phản ứng thủy nhiệt Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ tạo bột HA đơn chất vô cơ, chưa gắn các polyme sinh học nên khả năng hấp thụ của cơ thể không thật cao và hiệu quả Chính vì lẽ đó nên để phát huy tối đa các đặc tính quý giá của HA nên phòng Hóa Vô cơ cũng có một số nghiên cứu HA dạng phức hợp như HA - tinh bột sắn, HA - alginate, HA - oligoalginate [2 - 4]

1.5 Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần và các đặc trưng của vật liệu

1.5.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X

Phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao [7]

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

Phương trình nhiễu xạ Bragg: Một cách giải thích đơn giản về hiện tượng nhiễu xạ và được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết nhiễu xạ tia X trên tinh thể, đó là

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

1.5.2 Phương pháp phổ hồng ngoại

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

1.5.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét

Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) này cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần Chùm điện tử được tạo ra qua hai tụ quang rồi sẽ được hội tụ lên mẫu cần nghiên cứu Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp Mỗi điện tử phát

xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuyếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình

Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu Ưu điểm là không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp, có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét [1]

1.5.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy, TEM) là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu Vì thế, các mẫu đưa vào cần phải đủ mỏng để chùm điện tử xuyên qua Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai sung phóng điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua Chùm tia điện tử truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu sáng, tín hiệu này được khuyếch đại rồi được đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn ảnh Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh, độ sáng tối phụ thuộc vào lượng điện tử

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

1.5.5 Phương pháp phân tích nhiệt

Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA) là một trong những phương pháp hóa lý thường được dùng để phân tích cấu trúc của vật liệu, cung cấp cho ta những thông tin về tính chất nhiệt của vật liệu Trên giản đồ phân tích nhiệt có nhiều đường khác nhau, thông thường người ta quan tâm tới 2 đường cong quan trọng là đường DTA và đường TGA Đường DTA cho biết khi nào có hiệu ứng thu nhiệt (cực tiểu trên đường cong), khi nào có hiệu ứng phát nhiệt (cực đại trên đường cong) Từ đường TGA có thể biết biến thiên khối lượng mẫu trong quá trình gia nhiệt Mỗi quá trình biến đổi hóa học như các phản ứng pha rắn, sự phân hủy mẫu hay các biến đổi vật lí như sự chuyển pha thường đều có một hiệu ứng nhiệt tương ứng Các quá trình trên có thể kèm theo sự thay đổi khối lượng của mẫu chất nghiên cứu, ví

dụ quá trình thăng hoa, bay hơi hay các phản ứng phân hủy, hoặc không đi kèm với sự thay đổi khối lượng mẫu như quá trình chuyển pha, phá vỡ mạng tinh thể,… Dựa vào việc tính toán các hiệu ứng mất khối lượng và các hiệu ứng nhiệt tương ứng mà ta có thể

dự đoán được các giai đoạn cơ bản xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của mẫu [6] 1.5.6 Phương pháp sắc ký tẩm thấu gel (GPC)

Khối lượng phân tử trung bình (Mw) và độ phân tán khối lượng phân tử (PDI) của các polysaccarite được đo bằng phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (Gel permeation chromatography – GPC) Sắc ký thẩm thấu gel là phương pháp phân tích hữu hiệu, nhanh chóng Mw và PDI các polyme Ban đầu, mẫu được bơm vào cột sắc

ký qua hệ thống bơm Cột sắc ký với pha tĩnh là các vật liệu có cấu trúc xốp, vì thế trong cột sắc ký, ngoài lỗ trống giữa các hạt còn có cả lỗ trống bên trong các hạt Khi mẫu được chạy qua cột, những phân tử có khối lượng nhỏ, ngoài việc chạy qua các

lỗ giữa các hạt, chúng còn phải đi qua lỗ của chính các hạt vật liệu pha tĩnh Vì thế,

phân tử có khối lượng nhỏ sẽ đi ra khỏi cột chậm hơn, tức là thời gian lưu lớn hơn Dựa vào thời gian lưu này, so sánh với mẫu chuẩn để từ đó xác định được khối lượng phân tử của polyme

Polyme chứa các mạch phân tử có độ dài khác nhau, vì thế khối lượng phân tử được biểu diễn bằng khối lượng phân tử trung bình khối (Mw) và khối lượng phân tử trung bình số (Mn) Tỉ lệ giữa Mw/ Mn thể hiện mức độ phân tán khối lượng phân tử

và được kí hiệu PDI (polydispersity index)

Trong luận án, khối lượng phân tử trung bình và độ phân tán khối lượng phân

tử của các polysaccarite được đo trên máy HP-GPC 1100 Agilente, detector RI GI362A, dùng cột Ultrahydrgel 250 & 2000 Å, nhiệt độ cột là 40o

C, chất chuẩn: Pullulan có khối lượng phân tử 700 → 4.000.000 Dalton, tốc độ dòng là 1 ml/phút, tại Trung tâm Phân tích, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh