Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Phân tích xác định thành phần và các đặc trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn nhằm 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. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Phân tích xác định thành phần và các đặc trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐÀO THỊ THANH TÂM PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA COMPOSITE CANXI HYDROXYAPATITE VỚI ALGINATE LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên-2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐÀO THỊ THANH TÂM PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA COMPOSITE CANXI HYDROXYAPATITE VỚI ALGINATE Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích Thái Nguyên-2018
i 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
ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích đã hướng dẫn em tận tình, chu đáo trong suốt quá trình làm luận văn, giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ bộ môn Hoá Phân Tích, Ban chủ nhiệm khoa Hoá học, trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã giúp em hoàn thành luận văn này. 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
iii 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
iv 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 G 34 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
v 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
vi 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 13C-NMR của mẫu alginate.....................................32 Bảng 3.2. Kết quả phân tích phổ 1H-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
vii 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 13C NMR mẫu alginate ........................................................................ 32 Hình 3.5. Phổ 1H 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 13C 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
viii tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau: a. 10oC, b. 30oC 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
1 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”.
2 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 1760oC; sôi ở 2850oC; 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 - 1200oC 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.
3 Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml [...]. Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp trong các ô đơn vị như hình 1.2. Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Trong 10 nhóm PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy. Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA. Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như trên, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, từ đó có thể khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2. 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.
4 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
5 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].
6 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];
7 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 PO43- 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 PO43- 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 2- H2PO4- ↔ HPO4 + H+ pKa2 = 7,2 2 3 HPO4 - ↔ PO4 - + H+ pKa3 = 12,3 Khi thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự 2 phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO4 - và H2PO4 ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm HA. Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7.
8 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.
9 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.
10 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].